连接光栅尺与数控装置（上）

liang841114

一、任务引入
8 Y- j8 v, \  R! O5 @数控装置与光栅尺的联接原理图如图1所示，根据图1进行连接，并用数字示波器观察光栅尺的波形。
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图1   数控装置与光栅尺的联接
二、任务分析
从图1中可看到光栅尺与数控装置的XS32接口相连，将检测的信号反馈给数控系统，对机床的移动（转动）进行控制。什么是光栅？光栅是怎样工作的？有哪些位置检测装置？怎样检测数控系统中的位置测量装置的误差？下面我们就对这些问题进行讲解。
7 n6 b+ M) d6 Z- j" \5 k三、相关知识
1．光栅尺测量系统
光栅尺测量系统如图2所示，它由光源1、透镜2、标尺光栅3、指示光栅4、光敏元件5和信号处理电路组成。信号处理电路又具有放大、整形和鉴向倍频功能。
' Y% K: U; L- U8 h+ H通常情况下，除标尺光栅与工作台装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个壳体内，做成一个单独部件固定在机床上。这个部件称为光栅读头，其作用是将莫尔条纹的信号转换成所需的电脉冲信号。当标尺光栅随工作台一起移动时，光源通过聚光镜后，透过标尺光栅和指示光栅形成忽明忽暗的莫尔条纹(光信号)；光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的放大、整形、鉴相倍频后输出或显示。为了测量转向，至少要放置两个光敏元件，两者相距1／4莫尔条纹节距，这样当莫尔条纹移动时，会得到两路信号相位相差π／2的波形；将输出信号送入鉴向电路，即可判断移动方向。

# m+ d1 I! k6 R" d7 M( w3 i图2  光栅尺测量系统
0 X: S# b# x4 B, B/ ql一光源；2一透镜；3一标尺光栅；4一指示光栅；5一光敏元件
为了提高光栅的分辨率，通常还用4倍频的方法细分。所谓4倍频细分，就是将莫尔条纹原来的每个脉冲信号，变为在O、π／2、π、3π／2时都有脉冲输出，从而使精度提高了4倍。若光栅栅距0.Olmm，则工作台每移动0.0025mm，系统就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅尺测量系统的分辨率不仅取决于光栅尺的栅距，而且取决于鉴相倍频的倍数n，即:
分辨率=栅距/n
2．光栅
/ U0 _" |9 O$ B  P! V5 G计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中一种用得较多的测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。
. o! s8 g. Z5 K$ E1 b+ J+ G(1)光栅的种类与精度
+ D& b$ n$ }& E6 T- y. g) J+ ]在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。
计量光栅分为长光栅(测量直线位移)和圆光栅(测量角位移)，而每一种又根据其用途和材质的不同分为多种。
1)直线光栅(即长光栅)
①玻璃透射光栅。它是在玻璃表面感光材料的涂层上或者在金属镀膜上制成的光栅线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。光栅的几何尺寸主要根据光栅线纹的长度和安装情况具体确定，如图3所示。
玻璃透射光栅的特点是：光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构简单；每毫米上的线纹数多，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。
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图3  透射光栅
3 x$ q% W1 P6 Z1 V; o! K②金属反射光栅。是在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作或用钻石刀直接刻画制作光栅条纹。
- r, \/ A' `2 f4 {$ _8 {7 X金属反射光栅的特点是：标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整比较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。目前常用的每毫米线纹数为4、10、25、40、50。
2)圆光栅
1 d; X0 m6 c  z9 {圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，根据不同的使用要求在圆周上的线纹数也不相同。圆光栅一般有3种形式。
①六十进制，如10800、21600、32400、64800等；
②十进制，如1000、2500、5000等；
③二进制，如512、1024、2048等。
圆光栅的结构如图4所示。

图4  圆光栅
! O2 \3 J0 o: H! e3)计量光栅的精度
. z, Y* Q+ n/ w/ G' L' _& E4 y: U光栅检测系统的精度主要取决于光栅尺本体的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差，即累积误差。由于使用了莫尔条纹技术，因此，相邻误差得以适当的被修正，但对累积误差无多大改善。
! u+ z* @" K; G3 V由于激光技术的发展，光栅制作精度可以提高，目前光栅精度可以达到微米级，再通过细分电路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。几种常用光栅的精度数据见表1。
表1    各种光栅的精度
) J8 O, Z% p& m5 h& x5 A" E计量光栅
光栅长度
) m7 @# |, P) L  E& t- p线纹数
精  度
, v: v  k  I6 [1 U玻璃透射光栅
9 ~. U: u/ r! K500
% V. y2 c7 m+ n3 B: Z100/mm
5μm
玻璃透射光栅
1000
LOO/mm
lOμm
直线式
金属反射光栅
500
3 h/ `* T6 h% r5 p2 p& h25/mm
. o0 b8 X& H8 W8 [9 g5 f- _7μm
金属反射光栅
+ f: w# Z0 R+ l3 T, |1220
40/mm
- {! o& c/ n3 Z+ o8 k13μm
" {: C4 h* ^" ~8 A& E% {; P* d6 f高精度反射光栅
/ F3 \4 Z! j) r1000
7 r/ b) ~, w1 B2 g) h# A50/mm
- }$ I3 e; Z+ L/ z7.5μm
, l7 E, l' w/ e' b, k玻璃衍射光栅
1 I# O+ p# V8 x( [3 u+ r% m300
  O; K7 Q" N! s# L250/mm
( A) p  B' S% m0 h3 o8 H  l2 b6 k1.5μm
1 m) ?+ t. o$ N回转式
) U) [: ?6 L( S( v+ G1 L玻璃圆光栅
7 N8 k* ]1 l& q) MΦ270
9 K) s3 I/ F) ?; q# g; I% b10800/周
3″
(2)透射直线式和莫尔条纹式光栅
8 n( O+ A7 y9 k/ K  R
图5    光栅位置检测装置
4 y) q! x" ]' R- Z) V光栅位置检测装置由光源，长光栅（标尺光栅），短光栅（指示光栅）和光电元件等组成，如图5所示。 根据光栅的工作原理分为透射直线式和莫尔条纹式光栅两类。
1)透射直线式光栅
, P" `: w( \$ S/ F, R- M透射直线式光栅的结构如图6所示，它是用光电元件把两块光栅移动时产生的明暗变化转变为电流变化的方式。长光栅装在机床移动部件上，称为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称为指示光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接受到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接受到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接受到的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开1/4栅距，并通过鉴向线路进行辨别。
由于这种光栅只能透过透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。

图6    透射直线式光栅原理图

/ z5 Z7 A8 u' k图7  莫尔条纹式光栅
7 |6 ~' P- |. L1 W3 k8 g( Q4 r) d2)莫尔条纹式光栅
  U' I* ]: l* Z7 p) z" ]  D用得较普遍的是莫尔条纹式光栅，是将栅距相同的标尺光栅与指示光栅互相平行的叠放并保持一定的间隙（0.1㎜），然后将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ，那么两块光栅尺上的刻线交叉，在光源的照射下，相交点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距相交点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线占据的空间增大，因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。如图7所示，此明暗相间条纹称之为莫尔条纹，其光强度分布近似于正弦波形。如果将指示光栅沿标尺光栅长度方向平行的移动，则可看到莫尔条纹也跟着移动，但移动方向与指示光栅移动方向垂直。当指示光栅移动一条刻线时，莫尔条纹也正好移过一个条纹。
( T0 C. p/ C; p( J2 o四、任务实施
9 V3 u( H" E& l' ]5 z: ?3 E1.光栅尺与数控装置的连接
, e" X7 @2 i  M& |% g1 R9 N(1)根据图1将数控系统与光栅尺进行连接，此时光栅尺位置反馈信号只是用来显示坐标轴的实际位置，并没有用来作为位置的闭环控制。仔细检查接线，保证接线正确。
2 _4 S  k$ k. P' j2 k0 l(2)设置数控系统的交流伺服轴参数。
! A8 K& \  v& R: ]% O(3)设置交流伺服单元的参数，使之工作在位置控制方式下。
1 x. o8 E+ R! Q7 E8 v文章关键词： 数控装置