光柵與編碼器介紹

　　 現(xiàn)在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20μm和40μm，對(duì)衍射光柵柵距采用4μm和8μm，（1nm光柵除外）光學(xué)二倍頻后信號(hào)周期為2μm和4μm。Heidenhain要求開式光柵一個(gè)信號(hào)周期的位置偏差僅為±1%，閉式光柵僅為±2%，光柵信號(hào)周期及位置偏差見表1。

表2 光柵信號(hào)周期及位置偏差

光柵類別－信號(hào)周期(μm)－一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置偏差(μm)

幾何光柵－20和40－開啟式光柵尺±1%，即±0.2～±0.4；封閉式光柵尺±2%，即±0.4～±0.8

衍射光柵－2和4－開啟式光柵尺±1%，即±0.02～±0.04；封閉式光柵尺±2%，即±0.02～±0.08

　　 2.信號(hào)的處理及柵距的細(xì)分

　　 光柵的測(cè)量是將一個(gè)周期內(nèi)的絕對(duì)式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合在一起，也就是說在柵距的一個(gè)周期內(nèi)將柵距細(xì)分后進(jìn)行絕對(duì)的測(cè)量，超過周期的量程則用連續(xù)的增量式測(cè)量。為了保證測(cè)量的精度，除了對(duì)光柵的刻劃質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)精度有要求外，還必須對(duì)光柵的莫爾條紋信號(hào)的質(zhì)量有要求，因?yàn)檫@影響電子細(xì)分的精度，也就是影響光柵測(cè)量信號(hào)的細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）和測(cè)量分辨力（測(cè)量步距）。柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性也影響光柵測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和測(cè)量步距。對(duì)莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量的要求主要是信號(hào)的正弦性和正交性要好；信號(hào)直流電平漂移要小。對(duì)讀數(shù)頭中的光電轉(zhuǎn)換電路和后續(xù)的數(shù)字化插補(bǔ)電路要求頻率特性好，才能保證測(cè)量速度大。

　　 Heidenhain有專門為光柵傳感器和CNC相聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)了光柵倍頻器，也就是將光柵傳感器輸出的正弦信號(hào)（一個(gè)周期是一個(gè)柵距）進(jìn)行插補(bǔ)和數(shù)字化處理后給出相位相差90°的方波，其細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）有5、10、25、50、100、200和400，再考慮到數(shù)控系統(tǒng)的4倍頻后對(duì)柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)有20、40、100、200、400、800和1600，能實(shí)現(xiàn)測(cè)量步距從1nm到5μm，倍頻數(shù)選擇取決于光柵信號(hào)一個(gè)柵距周期的質(zhì)量。隨著倍頻數(shù)的增加光柵傳感器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)和輸入頻率的關(guān)系見表3。

表3 倍頻器的倍頻細(xì)分和輸入頻率

倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)：0－2－10－25－50－100－200－400

輸入頻率（KHz）：600－500－200－100－50－25－12.5－6.25

　　 選擇不同的倍頻數(shù)可以得到不同的測(cè)量步距。在Heidenhain的數(shù)顯表中可以設(shè)置15種之多的倍頻數(shù)，最高頻數(shù)可達(dá)1024，即1、2、4、5、10、20、40、50、64、80、100、128、200、400、1024。在微機(jī)上用的數(shù)量卡最大倍頻數(shù)可到4096。

　　 3.光柵的參考標(biāo)記和絕對(duì)座標(biāo)

　　 （1）光柵絕對(duì)位置的確立

　　 光柵是增量測(cè)量，光柵尺的絕對(duì)位置是利用參考標(biāo)記（零位）確定。參考標(biāo)記信號(hào)的寬度和光柵一個(gè)柵距的信號(hào)周期一致，經(jīng)后續(xù)電路處理后參考信號(hào)的脈沖寬度和系統(tǒng)一個(gè)測(cè)量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain設(shè)計(jì)了在測(cè)量全長(zhǎng)內(nèi)按距離編碼的參考標(biāo)記，每當(dāng)經(jīng)過兩個(gè)參考標(biāo)記后就可以確定光柵尺的絕對(duì)位置，例如柵距為4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對(duì)于標(biāo)尺移動(dòng)20mm后就可確定絕對(duì)位置，柵距為40μm的光柵尺要移動(dòng)80mm才能確定絕對(duì)位置。