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1、第五章 机械位移传感器,5.4 光栅尺位移传感器,5.4光栅尺位移传感器,目录一、教学内容 1、光栅尺组成 2、光栅尺工作原理 3、光栅的辨向与信号处理 4、光栅的特点 5、光栅尺的安装 6、光栅尺的安装注意事项（自学）7、光栅尺的维护（自学）二、归纳总结 三、作业,2学时,5.4光栅尺位移传感器,机床上光栅尺,速度测量,位置测量,直线光栅尺用于测量直线轴的移动位置。由于直接测量机械位置，因此能够最准确的反应机床的实际位置。,对于机床控制而言光栅尺能够：消除滚珠丝杠的反向间隙；消除丝杆、导轨由于温度变化所带来的位置误差；（大型）消除滚珠丝杠的螺距误差所带来的位置误差；,5.4光栅尺位移传感器,
2、机床上光栅尺,对于机床控制而言，光栅尺常常应用于以下场合：1、高精密机床：提高加工精度，提升产品的品质；2、大型机床，如：大型龙门、卧加、镗铣床等；使用光栅尺能够减小由于过长的传动链带来的传动误差，同时减 小温度变化带来的形变误差；3、采用直驱技术的新型电机：直线电机等。,对于机床上使用的光栅尺，我们通常关注以下技术规格：1、光栅尺的结构：钢带、玻璃；2、光栅尺的信号类型：串行信号、方波信号、正弦波信号(1-Vpp)；3、光栅尺的分辨率；4、光栅尺的信号周期、倍频；,5.4光栅尺位移传感器,光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光
3、方式不同，可将光栅分为玻璃透射式光栅和金属反射式光栅。,玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹密度为25条/、50条/、100条/、250条/。条数越多，光栅的分辨率越高。圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等。,5.4光栅尺位移传感器,直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。,透射式光栅检测装置,反射式光栅检测装置,光栅尺外形如图1所示，它由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光电接收
4、元件组成，如图2所示。其中光源供给光能；聚光镜将光源发出的光转换成平行光；主光栅与指示光栅构成光栅副，光栅副是光栅尺传感器的核心，它决定了光栅尺的精度,5.4光栅尺位移传感器,直线透射式光栅1.组成由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。,5.4光栅尺位移传感器,光栅位置检测装置的组成1光源 2透镜 3标尺光栅4指示光栅 5光电元件,直线透射式光栅1、组成：
5、由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。,5.4光栅尺位移传感器,2.工作原理 在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹莫尔条纹，如图所示。,5.4
6、光栅尺位移传感器,两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅距为W，则因为很小，则由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。,5.4光栅尺位移传感器,当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为：x=N W,接PC端,接光栅尺端,光栅尺,式中：N为条纹数；W为栅距。,5.4光栅尺位移传感器,当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为：x
7、=N W,接PC端,接光栅尺端,光栅尺,式中：N为条纹数；W为栅距。,5.4光栅尺位移传感器,莫尔条纹具有如下特点：,由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/，由于很小（小于10），故BW，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01，=0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。,起均化误差作用。莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10，当W=0.01时，10宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影
8、响千分之几的光电效果。所以，莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应。,莫尔条纹的变化规律。长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明暗明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。,5.4光栅尺位移传感器,3.光栅的辨向与信号处理,在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号，然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。为了既能计
9、数，又能判别工作台移动的方向，如图所示的光栅用了4个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位相差1/4周期。根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向。,5.4光栅尺位移传感器,4、光栅的特点,有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级，再经细分电路可以达到0.1微米。响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的自动化控制。对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高。,5.4光栅尺位移传感器,5、光栅尺的安装,（
10、1）小截面直线光栅尺。LC、LF、LS型纤细外壳的直线光栅尺应将其全长直接固定在加工面上，它特别适用于高动态性能要求应用。如果使用安装板或固定元件，可实现更大测量范围和支持更高的振动载荷。只需要在多点位置处将光栅尺与机床导轨对正，用限位面或限位销对正光栅尺。安装辅助件已将光栅尺和扫描单元间的间隙以及横向公差调整正确。,螺栓安装,5.4光栅尺位移传感器,用安装板安装纤细外壳直线光栅尺优点突出，它可作为机床的一部分安装在机床上，最后安装时，只需将光栅尺加紧即可。安装板安装的光栅尺，容易更换，便于检修。如果直线光栅尺应用与高动态性能要求和测量长度大于640mm的应用，推荐用安装板固定。如果测量长度超
11、过1240mm，必须使用安装板。带普通安装端头的直线光栅尺和带短端头的直线光栅尺都可以安装在安装板上。,安装板安装,5.4光栅尺位移传感器,（2）大截面直线光栅尺。LF系列钢带光栅尺安装在直接固定在机床部件上的钢基体上；LB系列钢带光栅尺直接固定在机床部件上，参与安装面的所有温度变化；LC和LS系列在中点位置处固定在安装面上，柔性固定元件使光栅尺具有可重复的温度特性。只需要在多点位置处将光栅尺与机床导轨对正，用限位面或限位销对正光栅尺。固定板已将光栅尺和扫描单元间的间隙调整正确。安装过程中需要调整横向间隙。,5.4光栅尺位移传感器,6、光栅尺的安装注意事项,（1）为了防止机床振动。将光栅尺安装
12、在高刚性，不间断的安装面上。不要将光栅尺安装在振动剧烈的部位或振幅较大的区域。为便于布线，读数头尽可能安装在不移动部件上，缆不会因运动产生惯性力。读数头安装块不要设计得太长，厚度要尽可能大以保证其自振频率足够高。读数头安装块应设计成单一部件，避免由多个部件焊接或螺栓固定而成。读数头安装块的安装面要尽量大而平坦。,5.4光栅尺位移传感器,（2）为了防止污染。正确安装光栅尺 在光栅尺外面加装护罩 保持环境清洁，定期清理护罩下的灰尘和金属碎屑 使用压缩空气过滤装置-DA300(适用于较恶略环境)玻璃是亲水材料，空气中的水雾、油雾容易在玻璃表面冷凝 建议安装DA300，将过滤后的干燥洁净空气持续地输入
13、光栅尺内，可以缓解油水冷凝，避免读数故障。,5.4光栅尺位移传感器,5.4光栅尺位移传感器,（3）光栅尺的屏蔽防护-确保良好接地,合理布线：信号电缆不要直接敷设在干扰源周围（空间距离100mm)信号电缆不宜过长，减少中间连接环节；增加屏蔽，绝缘；建议使用专用的信号电缆。,5.4光栅尺位移传感器,7、光栅尺的维护光栅尺本身具有一定的防护措施，有的需要给尺盒里面通入洁净的气源，保持尺内气压大于外部气压，防止潮气进入，但限于现场的生产环境及机床本身的加工条件(如高压力的切削液等)，还是要做好防污、防振等维护工作。,（1）.防污。光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因此，极易受到冷却液的污染，从而造成信号丢失，影响位置控制精度。冷却液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶会在扫描头上形成一层薄膜且透光性差，不易清除，故在选用冷却液时要慎重。加工过程中，冷却液的压力和流量过大，容易形成大量的水雾，会污染光栅尺。光栅尺最好通入低压压缩空气，以免扫描头运动时形成的负压把污物吸入光栅，压缩空气必须净化，滤芯应保持洁净并定时更换。,（2）.防振。光栅尺拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起光学元件的损坏。,5.4光栅尺位移传感器,归纳总结,作业,5.4光栅尺位移传感器,
