光柵尺位移傳感器
莫爾條紋具有以下特征:
(1)莫爾條紋的變化規(guī)律
兩片光柵相對移過一個柵距,莫爾條紋移過一個條紋距離。由于光的衍射與干涉作用,莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù),變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。
(2)放大作用
在兩光柵柵線夾角較小的情況下,莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線角θ之間有下列關(guān)系。式中,θ的單位為rad,W的單位為mm。由于傾角很小,sinθ很小,則
W=ω /θ
若ω =0.01mm,θ=0.01rad,則上式可得W=1,即光柵放大了100倍。
莫爾條紋計算
(3)均化誤差作用
莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成,例如每毫米100線的光柵,10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋,這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了,消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。
檢測與數(shù)據(jù)處理
光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。高分辨率的光柵尺一般造價較貴,且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率,需要對莫爾條紋進行細分,目前(2006年)光柵尺位移傳感器系統(tǒng)多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時,在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋,隨著光柵的移動,莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量。
在一個莫爾條紋寬度內(nèi),按照一定間隔放置4個光電器件就能實現(xiàn)電子細分與判向功能。例如,柵線為50線對/mm的光柵尺,其光柵柵距為0.02mm,若采用四細分后便可得到分辨率為5μm的計數(shù)脈沖,這在工業(yè)普通測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量,即要檢測其大小,又要檢測其方向,因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波,通常采用由低漂移運放構(gòu)成的差分放大器。由4個光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端,從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2,為得到判向和計數(shù)脈沖,需對這兩路信號進行整形,首先把它們整形為占空比為1:1的方波。然后,通過對方波的相位進行判別比較,就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數(shù),可以得到光柵尺的位移和速度。
安裝指導(dǎo)
光柵尺位移傳感器的安裝比較靈活,可安裝在機床的不同部位。
一般將主尺安裝在機床的工作臺(滑板)上,隨機床走刀而動,讀數(shù)頭固定在床身上,盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時,則必須增加輔助密封裝置。另外,一般情況下,讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對機床靜止部件上,此時輸出導(dǎo)線不移動易固定,而尺身則應(yīng)安裝在相對機床運動的部件上(如滑板)。
安裝基面
安裝光柵尺位移傳感器時,不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床身上,更不能安裝在打底涂漆的機床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上,移動工作臺,要求達到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。如果不能達到這個要求,則需設(shè)計加工一件光柵尺基座。
基座要求做到:(1)應(yīng)加一根與光柵尺尺身長度相等的基座(最好基座長出光柵尺50mm左右)。(2)該基座通過銑、磨工序加工,保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內(nèi)。另外,還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時,調(diào)整讀數(shù)頭位置,達到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右,讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。
主尺安裝
將光柵主尺用M4螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上,但不要上緊,把千分表固定在床身上,移動工作臺(主尺與工作臺同時移動)。用千分表測量主尺平面與機床導(dǎo)軌運動方向的平行度,調(diào)整主尺M4螺釘位置,使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時,把M2螺釘徹底上緊。
在安裝光柵主尺時,應(yīng)注意如下三點:
(1) 在裝主尺時,如安裝超過1.5M以上的光柵時,不能象橋梁式只安裝兩端頭,尚需在整個主尺尺身中有支撐。(2)在有基座情況下安裝好后,最好用一個卡子卡住尺身中點(或幾點)。(3)不能安裝卡子時,最好用玻璃膠粘住光柵尺身,使基尺與主尺固定好。
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