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
光柵的測量是將一個(gè)周期內(nèi)的絕對(duì)式測量和周期外的增量式測量結(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)的測量,超過周期的量程則用連續(xù)的增量式測量。為了保證測量的精度,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,也就是影響光柵測量信號(hào)的細(xì)分?jǐn)?shù)(倍頻數(shù))和測量分辨力(測量步距)。柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性也影響光柵測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和測量步距。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)測量步距一致。為了縮短回零位的距離,Heidenhain設(shè)計(jì)了在測量全長內(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。
評(píng)論