光栅检测单元优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：光栅测量装置包括光标尺和光读数装置两部分。前者称为透射式光栅，后者称为反射式光栅。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。位移—数字变换电路也称为光栅测量电路或四倍频细分电路。

1.光栅检测单元的结构和工作原理

光栅是一种光学检测元件，光栅的检测精度很高，可小于1μm，目前广泛适用于高精度的数控机床。光栅测量装置包括光标尺和光读数装置两部分。光标尺是一条上面刻有一系列平行等间距密集刻线的透明玻璃片，或是带有全反射等间距密封刻线的长条形金属镜面。前者称为透射式光栅，后者称为反射式光栅。在数控系统中用得比较多的是透射式光栅。常用透射光栅的光标尺的刻线密度有25条/m，50条/m，100条/m和250条/m四种。光标尺实际上是一根有着很密刻线的尺子，每根刻线的间隔代表一个准确的微小尺寸。光电读数装置由光源、聚光镜、指示光栅和光电池组成，如图3-14所示。

图3-13 基于鉴幅方式下的数控机床闭环系统结构

图3-14 光栅测量装置结构

a）反射式光栅 b）透射式光栅

通常标尺光栅固定在机床的活动部件上，光栅读数头装在机床的固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。安装时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度及两者之间的间隙（0.05～0.1mm），并且其线纹相互偏斜一个很小的角度θ。两光栅线纹相交，当光线通过时由于光的衍射作用，在相交处出现黑白相间的莫尔条纹，如图3-15所示。莫尔条纹的方向与光栅线纹的方向大致垂直。

指示光栅与标尺光栅之间相对移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹间距，且其移动方向几乎与光栅移动方向垂直。设莫尔条纹的节距为W，则可以得到如下关系式：

式中 θ——光栅纹线之间的夹角；

P——栅距。

因为θ很小，可认为θ≈sinθ，所以有

若P=0.01mm，θ=0.01rad，则由上式可得W=1mm，即将光栅的栅距转换成了放大100倍的莫尔条纹宽度。由此可见，莫尔条纹具有放大作用，这样就可以利用光干涉现象，无须复杂光学元件，就可以提高光栅测量装置的分辨率。

由此可以得到莫尔条纹的特性如下。

1）用平行光束照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，透过的光强度分布近似于余弦函数。

图3-15 莫尔条纹

2）具有放大作用。

3）具有平均误差作用。莫尔条纹由若干条光栅线纹干涉形成，如100线/mm的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成。这样，栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了栅距不均匀造成的误差。

4）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度W；若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。

2.光栅检测单元应用

图3-16所示是光栅测量系统的组成结构。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接收，然后经过位移—数字变换电路形成正走时的正向脉冲或反走时的反向脉冲，由可逆计数器接收。位移—数字变换电路也称为光栅测量电路或四倍频细分电路。

图3-16 光栅测量系统

图3-17中的a、b、c、d是四块光电池产生的信号，相位彼此相差90°。a、c信号是相位差180°的两个信号，送入差动放大器，得到正弦信号，将信号幅值放大到足够大。同理，b、d信号送入另一差动放大器，得到余弦信号。正弦、余弦信号经整形变成方波A和B，A和B信号经反相得信号C和D，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路将0°、90°、180°、360°四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲，用可逆计数器进行计数，测量光栅的实际位移。

在光栅位移—数字变换电路中，除以上介绍的四倍频电路以外，还有10倍频、20倍频电路等。限于篇幅，此处略。

光栅检测单元优化方案

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