光柵與編碼器介紹

光柵與編碼器介紹

位置檢測裝置作為數(shù)控機床的重要組成部分，其作用就是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件使其向著消除偏差的方向運動，直至偏差等于零為止。為了提高數(shù)控機床的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度。其中以編碼器，光柵尺，旋轉(zhuǎn)變壓器，測速發(fā)電機等比較普遍，下面主要對光柵和編碼器進行說明。

光柵,現(xiàn)代光柵測量技術(shù)

簡要介紹：

將光源、兩塊長光柵（動尺和定尺）、光電檢測器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號，動尺移動一個柵距，輸出電信號便變化一個周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出動就與定就職相對位移。目前使用的光柵尺的輸出信號一般有兩種形式，一是相位角相差90度的2路方波信號，二是相位依次相差90度的4路正弦信號。這些信號的空間位置周期為W。下面針對輸出方波信號的光柵尺進行了討論，而對于輸出正弦波信號的光柵尺，經(jīng)過整形可變?yōu)榉讲ㄐ盘栞敵觥］敵龇讲ǖ墓鈻懦哂蠥相、B相和Z相三個電信號，A相信號為主信號，B相為副信號，兩個信號周期相同，均為W，相位差90o。Z信號可以作為較準(zhǔn)信號以消除累積誤差。

一、柵式測量系統(tǒng)簡述

　 從上個世紀(jì)50年代到70年代柵式測量系統(tǒng)從感應(yīng)同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測量系統(tǒng)都是將一個柵距周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結(jié)合了起來，測量單位不是像激光一樣的是光波波長，而是通用的米制（或英制）標(biāo)尺。它們有各自的優(yōu)勢，相互補充，在競爭中都得到了發(fā)展。由于光柵測量系統(tǒng)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于其他4種，而且制造費用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展得最快，技術(shù)性能最高，市場占有率最高，產(chǎn)業(yè)最大。光柵在柵式測量系統(tǒng)中的占有率已超過80%，光柵長度測量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級，測量速度從60m/min，到480m/min。測量長度從1m、3m達(dá)到30m和100m。

二、光柵測量技術(shù)發(fā)展的回顧

　 計量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋（Moire fringes），1874年由英國物理學(xué)家L.Rayleigh首先提出這種圖案的工程價值，直到20世紀(jì)50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950年德國Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，這才能制造高精度、價廉的光柵刻度尺，光柵計量儀器才能為用戶所接受，進入商品市場。1953年英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統(tǒng)，可以在一個莫爾條紋周期實現(xiàn)4倍頻細(xì)分，并能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)用至今。

　　 德國Heidenhain公司1961年開始開發(fā)光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4μm（250線/mm）的光柵尺和10000線/轉(zhuǎn)的圓光柵測量系統(tǒng)，能實現(xiàn)1微米和1角秒的測量分辨力。1966年制造出了柵距為20μm（50線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出AURODUR工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵。并在光柵一個參考標(biāo)記（零位）的基礎(chǔ)上增加了距離編碼。在1987年又提出一種新的干涉原理，采用衍射光柵實現(xiàn)納米級的測量，并允許較寬松的安裝。1997年推出用于絕對編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口，使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便的應(yīng)用于測量系統(tǒng)。現(xiàn)在光柵測量系統(tǒng)已十分完善，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在60萬件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開啟式光柵尺約占15%。

三、當(dāng)今采用的光電掃描原理及其產(chǎn)品系列

　　 光柵根據(jù)形成莫爾條紋的原理不同分為幾何光柵（幅值光柵）和衍射光柵（相位光柵），又可根據(jù)光路的不同分為透射光柵和反射光柵。光米級和亞微米級的光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm遠(yuǎn)于光源光波波長，衍射現(xiàn)象可以忽略，當(dāng)兩塊光柵相對移動時產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱影像原理。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，光柵柵距是8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱干涉原理?，F(xiàn)以Heidenhain產(chǎn)品采用的3種測量原理介紹如下。

1.具有四場掃描的影像測量原理（透射法）

　 采用垂直入射光學(xué)系統(tǒng)均為4相信號系統(tǒng)，是將指示光柵（掃描掩膜）開四個窗口分為4相，每相柵線依次錯位四分之一柵距，在接收的4個光電元件上可得到理想的4相信號，這稱為具有四場掃描的影像測量原理。Heidenhain的LS系列產(chǎn)品均采用此原理，其柵距為20μm，測量步距為0.5μm，準(zhǔn)確度為±10、±5、±3μm三種，最大測量長度3m，載體為玻璃。

2.有準(zhǔn)單場掃描的影像測量原理（反射法）

　 反射標(biāo)尺光柵是采用40μm柵距的鋼帶，指示光柵（掃描掩膜）用二個相互交錯并有不同衍射性能的相位光柵組成，這樣一來，一個掃描場就可以產(chǎn)生相移為四分之一柵距的四個圖象，稱此原理為準(zhǔn)單場掃描的影象測量原理。由于只用一個掃描場，標(biāo)尺光柵局部的污染使光場強度的變化是均勻的，并對四個光電接收元件的影響是相同的，因此不會影響光柵信號的質(zhì)量。與此同時，指示光柵和標(biāo)尺光柵的間隙和間隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA系列開式光柵其柵距為40μm和20μm，測量步距0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm、±3μm，測量長度可達(dá)30m，最大速度480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達(dá)120m/min。