光栅尺的设计及加工工艺的参考

1、.摘 要随着数控机床在机床制造领域的普及，现代机床在加工速度、加工精度和可靠性方面都有了很大的提高。机床用光栅测量元件和数控系统是数控机床的两大核心部件，清楚地了解他们的发展趋势，对机床制造商和最终用户都有非常重要的意义。本文依据对海德汉光栅尺拆解后测绘的尺寸，利用solidworks2009对其进行了实体建模，并对光栅尺加工及安装工艺进行了研究和探讨。同时，本文阐述了光栅尺的概况，分类及工作原理，介绍了典型的海德汉光栅尺及海德汉公司的发展，提出了能提高光栅尺的测量精度的方法。第1章 绪 论1.1引言在经济危机席卷全球的形式下，中国光栅尺制造商面临产品升级，寻求新发展的重要时期，制造出高性能光

2、栅尺是光栅尺制造商共同的目标。实现该目标与很多因素都相关，本文仅从高性能机床所需的两个关键部件人手，介绍其最新发展供大家参考。结合HEIDENHAIN公司的在测量技术方面的深人研究，着重强调了光栅尺精度和测量技术的最新发展，包括:(1)单场扫描技术；(2) 光栅测量技术；(3)光栅尺位移传感器的概念及工作原理； (4 )光栅尺的加工工艺等。结合 HEIDENHAIN数控系统，介绍了适合于高性能数控机床的最新数控技术，包括(1)高速加工;(2)五轴加工;(3)智能化;(4)友好人机界面。1.2光栅测量系统的发展趋势及水平光栅数字测量系统是数显机床、数控机床和测量机的重要组成部分，是由光栅传感器和

3、光栅倍频器(插补和数字化电子装置)组成。光栅传感器是作为位移测量元件，光栅倍频器是对光栅信号进行电子细分和数字化处理。光栅编码器是利用刻划在各种各样载体(如玻璃、玻璃陶瓷、固态钢或钢带)上的光栅作为测量标准，并通过光电扫描进行分度，编码器的精度和温度特性可以通过刻划和选择载体来优化。光栅编码器又分为直线编码器(光栅尺)和圆编码器，而圆编码器又分为旋转编码器(作为旋转轴的反馈部件)和角度编码器(作为转台的角度测量部件)。对于编码器的结构又分为开启式的和封闭式的。它是以测量各个坐标的位移来实现对设备的数显和数控，因此测量系统的精度就决定了设备的精度。目前光栅数字测量系统的精度已有微米级、亚微米级和

4、纳米级三个档次。光栅测量系统的长处是性能稳定、可靠性好、精度高、测量范围大、使用方便、价格适中，和其他测量系统相比有着明显的优势，在当今国际市场上光栅测量系统要占到80%以上。目前光栅测量系统的侧量步距已达1nm(0.001µm)，准备度到达±0.5µm，测量长度已达30m最大移动速度已达480/min，最大加速度已达250m/s2，最大传输距离达150m。目前全世界能制造光栅测量系统的国家除我国外还有德国、日本、美国、英国、西班牙、奥地利、意大利、俄国、韩国和印度等，估计年产量超过70万坐标，其中以德国海德汉公司为最著名，半个世纪以来其技术、品种、产量都绝对领先

5、于其他国家。其各个品种的增长率分别为:开启式光栅尺+30%，封闭式光栅尺-3%，旋转编码器+5%，角度编码器-4%，长度规-3%,数显表DRO -18%，数控装置TNC+4%，因此本文所列举的数据均参照HEIDENHAIN产品。1.3 课题来源及研究意义1.3.1课题来源20世纪50年代是数控机床的起步阶段。当时传统的机床越来越难以满足加工业的双高需求高精度和高效率。因此对传统机床的改进显得尤其重要。近几十年来，美国、德国等国家先后在研制性能优良的数控机床上投入了大量的人力和物力。数控系统和机床的测量系统是现代数控机床的关键部件。尤其是机床的测量系统，它是保证机床高精度的前提条件。断演变和发展

6、的过程。近年来光栅测量系统在数控机床上的使用占具主要的地位。光栅测量系统的分辨率高达纳米级，测量速度高达480m/min,测量长度高达百米以上。由于这些无可比拟的优点，高精度、高切削速度的数控机床无疑要采用光栅测量系统。20世纪50年代德国HEIDENHAIN公司的Johannes Heidenhain博士发明了DIADUR工艺在玻璃机体上镀铬的光刻复制工艺。该工艺后来用于光栅尺的制造上。在以后的几十年里，光栅尺的制造技术不断提高。近年来光栅测量系统在数控机床上的使用占具主要的地位。本文提出了如何提高光栅尺测量精度的方法，和适于高速高精度的测量以及仿海德汉光栅尺的设计及加工工艺。1.3.2研究

7、意义测量广泛存在于国民经济的各个部门和人民生活的各个方面。自然科学所阐明的一般规律、定理、定律，往往都是以测量为基础。在现代科学技术中，测量技术的地位越来越重要，小到纳米级的金相分析，大到船舶制造和桥梁建设，精到卫星的发射，都必须进行测量。从某种意义上说，没有测量就没有科研，就没有现代工业的发展。而在目前时期，光栅测量是最主要的测量方式之一，光栅尺精度高、可靠性强、结构简单，在机床、二坐标和大量程直线测量设备中应用比较广泛。光栅尺在现代工业的贡献也是非常巨大的，不仅仅将现在加工精度进一步完善，更重要的是提高了现在加工时的工作效率。在现在中国加工业、制造业越来越成熟，对加工的精度越来越高的时候，

8、在各种机床上，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺，其工作环境要求相对来说不是很苛刻，对操作者的使用来说也十分简单。在数控机床中，HEDENHAIN光栅尺是最先进的测量工具。海德汉公司研制生产光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显装置和数控系统。海德汉公司的产品被广泛应用于机床、自动化机器，尤其是半导体和电子制造业等领域。对于数控机床，单纯追求高准确度的光栅尺是不够的，还要选择光栅尺的信号周期大小及设定控制系统的细分份数，使数控机床有合适的分辨率，同时还要选择合适的机械安装结构。要进一步提高数控机床的整体精度，还要对机床进行线性补偿、非线性补偿甚至几何精度补偿等。第2章

9、 光栅尺的结构及工作原理2.1 光栅尺位移传感器2.1.1 光栅尺的概念光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置（如图2-1）。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。图2-1 光栅尺的外观光栅尺只是一个反应装置，它可以将位移量和位移方向通过信号输出的方式反馈出来，但它不能直接显示出来，它还需要一个显示装置，我们简称它为数显显示

10、箱，也称数显表。只有当光栅尺和数显表连接在一起的时候，才能正常的将数值反应给每一位操作者，因而，我们对于光栅尺的使用上面，还是要多了解，如果不是很专业的人员，需要知道一些专业性的知识，才能单独使用光栅尺作为反馈装置使用。 2.1.2 光栅尺装置的分类光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。透射光栅指的玻璃光栅；反射光栅指的钢带光栅。2.1.3 光栅尺装置结构光栅尺位移传感器是有标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。光栅检测装置结构光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透

11、镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）。2.1.4 常见光栅尺的工作原理 常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变

12、大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。2.1.5 莫尔条纹图2-2 莫尔条纹以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (如图2-2所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离为莫尔条纹的宽度，以w表示。莫尔条纹具有以下性质：当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅

13、的栅距，表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为： 无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。2.2 检测与数据处理光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准

14、尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前（2006年）光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5m的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方

15、向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。 2.3 车间级测量对光栅尺的要求测量室为精密测量提供了优良的环境，也带来了一系列问题:昂贵的设施设备、维持恒温的成木以及被中断的生产流程。为了尽可能在批量生产过程中控制生产流程，

16、便有了“库间级测量或在线测量”。测量结果可实时影响生产流程的控制，从而实现优化生产工序和规划的目的。与此同时，车间级测量刘一测量设备的要求也随之凸现。测量机在生产车间中需要适应温度、振动、污染等环境要求。测量机的生产厂家一致认为，任何相对于DIN102标准中确定的参考温度20温度误差都会导致测量机和被测下件的长度和角度变化，这此变化必须被折算回参考温度。而测量设备(光栅尺、编码器)的可定义的、高重复性的热性能是进行折算的必要条件。未来的坐标测量机国际标准(ISOTC213-WG10）为此将更为重视测量设备的膨胀系数及其允许的误差范围。作为测量机的测量基准，光栅尺的膨胀系数及其误差发挥着重要的影

17、响。制造光栅尺的材料通常为钢、玻璃或玻璃陶瓷。如果计算所采用的膨胀系数小准确，仅几度的温度变化就会造成数微米的测量误差。为了获得膨胀系数的精确数值，可使用专用“膨胀计”。用该设备通过测量材料样品来精确地确定光栅尺材料的真实膨胀系数。例如用于测量棒状材料的测试台就属这类设备。这样获得的精确热膨胀系数可以作为真实值用于测量机的长度补偿计算。实际在更多情况下，人们还是采用资料中的或是由生产商提供的数据。所以，补偿的不确定性从一开始就存在。只有掌握相应的信息、正确地选择材料、满足热力学条件，才能良好地应对热变形。由于不同的原材料在温度变化时的膨胀程度不同，而且达到新温度的速度也不同，所需的温度和精度补

18、偿都相当复杂。为了从一开始就避免将补偿计算建立在错误测量值的基础上，一定要采用热稳定的光栅尺。车间型测量机用光栅尺的材料选择非常重要。光栅尺一般采用的材料如玻璃、钢只能给出大概的膨胀系数值，而光栅材料玻璃陶瓷ZERODUR的膨胀系数在很宽的温度范围内都能保证精度，同时其抗老化性能极好。正确选择光栅尺可以提高测量机的性能，对测量机的可靠性起着决定性的作用。在车间级测量机领域，以下要求和性能是必需的：光栅尺的膨胀系数必须已知；（1节点间精度高；（2高抗污染能力保证无故障测量；（3长时间的高可靠性；价格低廉。高精度、用户友好的安装公差以及高速紧凑的读数头设计是海德汉LIDA400型开放式增量光栅尺的

19、标志性特点。这些特点使得它特别适合于自动化和电子行业生产设备、直接驱动应用和测量设备领域。新的玻璃和玻璃陶瓷光栅载体材料(ZERODUR、ROBAX)的采用大大拓展了这款光栅尺的应用领域。新款LIDA400同样也适用于在车间级测量机上使用。背面固定的粘接层PRECIMEI可以实现方便的安装。新的玻璃和玻璃陶瓷光栅小需要特殊的读数头，即现有的标准LIDA400读数头可以继续使用统一的光栅截面尺寸使得小同材质光栅的替换变得容易。玻璃尺体和玻璃陶瓷尺体统一的截而尺寸使得通过更换尺体来升级测量机变得十分方便。所有型写读数头都拥有大面积的扫描窗口，这一特性使得光栅对污染极不敏感，另一方面非常标准的扫描信

20、号也允许对信号进一步高倍细分。LIDA400系列光栅尺的栅距为20µm,可选1Vpp或TTL输出信号。最大测量长度可长达30m（钢带)或3m(玻璃和玻璃陶瓷）。允许测量速度可达480m/min。光栅可以配备参考点，也可集成磁限位开关。热膨胀问题可以在保持读数头型号统一的前提下，通过选择合适的光栅尺体材料来解决。采用玻璃或陶瓷玻璃光栅的新一代LIDA400系列光栅尺极大地满足了车间型测量机或其他车间级设备的测量需求。第3章 仿海德汉光栅尺实体建模及工艺设计3.1 海德汉光栅尺3.1.1 海德汉编码器德国（HEIDENHAIN）海德汉编码器精度可达±0.5m或更高，测量步距可达

21、0.001mm，测量长度可达30m，读数头与光栅尺间无摩擦，尺寸紧凑和重量轻，运动速度快，封闭式直线光栅尺有：标准光栅尺外壳，用于高振动频率，最大测量长度30m；纤细光栅尺外壳，适用于优先安装空间，最大测量长度达1240mm配安装板或紧固原件可使最大测量长度达2040mm。海德汉封闭式直线光栅尺的铝外壳可以有效保护光栅尺，读数头和导轨免受灰尘，切屑和切削液的影响。自动向下压的弹性密封条保持外壳密封，读数头运动导轨的摩擦力很小，导轨在光栅尺内，读数头通过一个连轴器与外部安装加连接，联轴器可以补偿光栅尺和机床导轨之间不可避免的对正误差，读数头DIADUR光栅尺光晕啊光电池密封条安装。3.1.2 海

22、德汉光栅尺的特点（1）最先进可靠的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。（2）传感器采用密封式结构，性能可靠，安装方便。（3）采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水，防尘优异，使用寿命长。 （4）具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。（5）光源采用红外发光二极管，体积小寿命长。（6）采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺（最长可做到3000mm）。3.2 光栅尺的选择标准3.2.1 以精度指标选择光栅尺评价数控机床的重要指标是机床的精度。高精度的机床选择高准确度等级的光栅尺是必然的。光栅尺的准确度与光栅尺

23、的分辨率是两个概念。准确度指光栅尺的光栅条纹位置淮确程度。要达到高谁确度，不但要求每条光刻条纹位置准确，而且要求每条光栅条纹均匀一致，边缘清晰。高准确度的光栅对制造商的生产环境和设备要求非常高。如德国HEIDENHAIN公司在地下15m处建立了一个无尘、恒温(温度控制在0.01 0C)光栅刻蚀车间，以保证光栅条纹的准确度和精度。分辨率是评价光栅的另一指标。我们知道，扫描光栅与带尺光栅每相对移动一个栅距，便产生一组交变的正弦信号。这组信号就是光栅尺输出的原始信号。那么，带尺光栅条纹的周期是分辨率的基础。要求高的分辨率，首先要选择信号周期小的光栅尺。这样，可以提高系统的动态特性，使系统的速度、加速

24、度和频响速度(截止频率)达到较高的水平。光栅尺的分辨率和准确度是不同的，但却是相辅相成的。高准确度的光栅尺其原始信号周期也较小。信号经过细分，就会有细分误差。细分误差是光栅尺原始信号周期内的误差，因而它也是一个具有周期性的误差信号。该误差过大会造成伺服系统的震荡，影响数控伺服系统的稳定性。如果光栅条纹不均匀、刻线边缘不清晰，相对的细分误差就会较大。3.2.2 以效率指标选择光栅尺目前的光栅尺多为增量式。因而，每个光栅尺都有参考标记信号。采用增量式光栅尺，在机床断电再开机或机图5绝对式尤栩床重新启动时，通常要慢慢移动到光栅尺刻有参考标记的位置处，光栅尺的电气类数控系统找到参考标记并记忆该位置。过

25、去的光栅尺通常都有一个固定的参考点标记。如果机床行程很长，找参考点就占据了大量时间。为了减少数控机床的非加工时间，最好机床在开机时就感知到参考点的位置或已知机床坐标轴所处的位置。为了实现这一功能，HEIDENHAIN公司在参考标记上做了很多改进。图4示出带距离编码的参考标记的光栅尺片段。每20mm距离有三个参考标记，分为一组。每组参考标记中的中间标记与前一点的标记距离与其他组不同，并且是惟一的。带有这种参考标记的光栅尺通常要与数控系统约定好。机床每移动超过一组参考标记的距离，便可从中间点距第一点的惟一距离计算出所处的坐标位置。换句话说，机床只要移动20mm以上的距离，便可以确定位置。实现了快速

26、返回参考点的目的。绝对式光栅尺开机便可确定参考点的位置。图5为绝对式光栅尺的测量原理图。绝对式光栅尺是由多组不同刻线周期的光栅条纹组成，按一定规则排列的光电池接收光透过扫描光栅和带尺光栅的光强信号，并将其转换成二进制的电信号。数控系统与光栅尺接口间有一定的通信协议，将二进制编码转换成机床坐标轴的位置信息。HEIDENHAI公司研制的3m长的绝对式光栅尺实现了分辨率0.1 m。绝对式光栅尺是今后的发展方向。3.2.3 以电气接口形式选择光栅尺选择光栅尺应注意与数控系统相配。不同的数控系统要求不同的电气接口形式(光栅尺的电气接口数据形式见表1)。表1 光栅尺的电气接口数据形式3.3 光栅尺的制造工

27、艺数字读出系统( DRO或VRO)是侧量系统中的重要组件.测量系统的精度主要由传感器或码尺决定，因此，传感器或码尺是测量系统中的关键器件.码尺一般安装于机床不显著的部位(有时是以密封方式安装的)。在加工过程中，码尺和读数部件起着监视系统的作用.本文着重介绍美国Acugite公司的光栅制造工艺.3.3.1 码尺的类别码尺能把位移量转换为电信号.现有码尺的种类主要是以采用的材料和产生电信号的杨理原理来决定的.磁尺采用金属材料，而光栅尺的工作原理则是通过玻璃上的镀铬线条把红外光转换为电信号。在磁尺制造工艺中，包含有在金属圆杆的磁性材料上等距地录磁，由于磁化特性的限制，磁栅栅距不可能录得太细，例如一般

28、为。.2mm，因此，要达到百万分之50英寸的分辨率则要采用大的细分数，相反光栅尺由于采用了镀铬工艺，可以得到较细的栅距，例如125条线/mm，这样要得到上述的分辨率就容易得多了.0.2mm栅距的磁栅要达到百万分之50英( 0.00125mm)分辨率需要采取200细分.，而上述栅距的光栅尺要达到相同的分辨率则只要8细分即可.内插(细分)精度的一般可接受的原则是信号的细分数愈小，则系统的精度愈高，这也是为什么设备制造商采用光栅作为高精度测量系统核心元件的主要理由之一3.3.2 尺坯制造第一步是检验70 X 64大张玻璃毛还的技术性能，例如厚度和平行度等，然后划线并分割成狭条玻璃以便下序精加工.但也

29、可直接用金刚石割刀切割成满足规定技术条件的玻璃片，加工后的玻璃片仍需按技术条件再检验一次。镀铬前应擦洗玻璃片并放入清冼机清洗.镀铬工艺采用两种型号的镀铬系统.在溅射式镀铬系统中，玻璃片重叠地放在运送托架上，运送托架从下通过镀铬系统中真空腔的铬靶，铬靶是带电荷的，因此向下散射铬原子，当精确地控制时，玻璃片上的铬层(单边)是很均匀的.当玻璃尺上的线距较小时，则采用由.电子枪加热的蒸发式铬靶，铬蒸气凝结在玻璃片上形成镀铬层，玻璃片镀铬后即可进行刻线.3.3.3 刻线首先在玻璃片铬层上镀上光敏抗腐镀层，然后放在洪箱中烘烤，蒸发掉光敏抗腐镀层中的溶剂和稳定镀层的抗腐作用.第二工序也是最重要的工序，即在光

30、敏抗腐镀层上光刻(爆光)，以使在镀铬层上形成刻线图样.光刻是把镀有光敏抗腐层的玻璃放在作为底版的母光栅上，然后从下进行爆光.已经爆光后的玻璃片放在化学溶剂中定形和腐蚀，在这个关键性的步骤中为了保证精度，应采用严格的环境条件和机械控制装置.这样，便可得到具有一系列完好而均匀排列的，每毫米25125条铬线条(根据分辨率要求)的光栅尺。3.3.4 母光栅AcuRite公司光栅尺复制工艺中采用的母光栅尺是在该公司的激光干涉仪控制的刻线机上刻制的，刻线机装在地下150英尺(45米)深的岩石基础上，刻线精度可达百万分之几英寸(约。.125tm/1000mm),该公司研制母光栅已有15年以上经验.3.3.5

31、 质量保证每根光栅尺都需经过严格检验以保证达到规定的精度标准.以下简要介绍有关光栅尺制造过程中所用的检验设备。(1)光学性能检验机用于检验光栅尺的光学性能的质量.一台由计算机控制的光学质量扫描检验机用于在光栅尺全长上检验光线传逻性能，它能检验光栅线条上的各种缺陷，这些缺陷可能由尘污、气泡或其他外物引起，经过检验后符合要求的光栅尺切割成所需要的长度尺寸装入压制铝盒中。(2)精度检验机装配好的光栅尺需进行精确度检验.光栅尺的全长检验是由计算机控制的激光干涉仪上进行的。Acu-Rite生产的每一光栅尺都经过上述扮验，并在出厂时带有检验报告单提供用户使用。(3)光栅尺装配经过检验合格后的光栅尺装入用人

32、造橡胶密封的铝盒中，铝盒两端装有防震端盖，这种光栅尺不但精度高，并且可以防止油污、灰尘和切屑等环境沾污，它能以wm级精确度和重复性将机床导轨的机械位移量转为电信号。(4)最后是装入读数头读数头包含有一块装有集成电路元件的小型印刷线路板，读数头装在一个沿着光栅尺滑动的耐磨盒子中，读数头采用钢球一一弹簧联结，这种联结结构是Acu-Rite的专利(设计)，它能补偿由于安装或工作台移动不准确而引起的误差，因而能保持读数头的正确运动轨迹和系统的精度。由光栅尺和读数头组J:I (t J尤姗传感器尚需进行最后检验以保证其机械和电子性能，经过终检后的光栅传感器配上相应的读数电箱便作为数字读出系统(DRQ)出售

33、。3.4 光栅尺的安装工艺光栅数显测量系统是一种能自动检测和自动显示的光机电一体化产品，是改造旧机床，装备新机床以及各种长度计量仪器的重要配套件，是用微电子技术改造传统工业的方向之一。由于光栅数显测量系统具有精度高，安装及操作容易，价格低，回收投资快等优点而得到大量使用。3.4.1 结构 开启式传感器的标尺光栅裸露在外，微型发光器件和接收器件都装在传感头里。它的精度较高，要求的工作环境条件高，通常运用于精密仪器及使用条件较好的数控设备上。闭式传感器的特点是发光器件、光电转换器件和光栅尺封装在紧固的铝合金型材里。发光器件采用红外发光二极管，光电转换器件采用光电三极管。在铝合金型材下部有柔性的密封

34、胶条，可以防止铁屑、切屑和冷却剂等污染物进入尺体中。电气连接线经过缓冲电路进入传感头，然后再通过能防止干扰的电缆线送进光栅数显表，显示位移的变化。闭式传感器的传感头分为下滑体和读数头两部分。下滑体上固定有五个精确定位的微型滚动轴承沿导轨运动，保证运动中指示光栅与主栅尺之间保持准确夹角和正确的间隙。读数头内装有前置放大和整形电路。读数头与下滑体之间采用刚柔结合的联接方式，既保证了很高的可靠性，又有很好的灵活性。读数头带有两个联接孔，主光栅尺体两端带有安装孔，将其分别安装在两个相对运动的两个部件上，实现主光栅尺与指示光栅之间的运动进行线性测量。3.4.2 基本原理 光栅位移传感器的工作原理，是由一

35、对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。3.4.3 安装方式光栅线位移传感的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。 一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安

36、装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。(1)安装基面 安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基座长出光栅尺50mm左右）。该基

37、座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为11.5mm左右。 (2) 主尺安装 将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意

38、如下三点：1）在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。 2）在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。3）不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。（3）读数头的安装 在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在11.5mm以内。（4）限位装置 光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅

39、尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。 （5）检查 光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。 通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确

40、定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。 3.4.4 使用注意事项（1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。 （2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。（3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。（4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。（5） 为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。（6） 光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。（7） 不要自行拆开

41、光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。（8） 应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。（9） 光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。3.4.5 常见故障现象及判断方法 （1） 接电源后数显表无显示 1）检查电源线是否断线，插头接触是否良好。2）数显表电源保险丝是否熔断。3）供电电压是否 符合要求。（2） 数显表不计数 1）将传感器插头换至另一台数显表，若传感器能正常工作

42、说明原数显表有问题。2）检查传感器电缆有无断线、破损。（3） 数显表间断计数1）检查光栅尺安装是否正确，光栅尺所有固定螺钉是否松动，光栅尺是否被污染。2）插头与插座是否接触良好。3）光栅尺移动时是否与其他部件刮碰、摩擦。4）检查机床导轨运动副精度是否过低，造成光栅工作间隙变化。（4） 数显表显示报警 1）没有接光栅传感器。2）光栅传感器移动速度过快。3）光栅尺被污染。（5）光栅传感器移动后只有末位显示器闪烁 1）A或B相无信号或不正常只有一相信号。2）有一路信号线不通。3）光敏三极管损坏。（6）移动光栅传感器只有一个方向计数，而另一个方向不计数（即单方向计数）。1）光栅传感器A、B信号输出短路

43、。2）光栅传感器A、B信号移相不正确。3）数显表有故障。（7）读数头移动发出吱吱声或移动困难 1）密封胶条有裂口。2）指示光栅脱落，标尺光栅严重接触摩擦。3）下滑体滚珠脱落。4）上滑体严重变形。（8）新光栅传感器安装后，其显示值不准 1）安装基面不符合要求。2）光栅尺尺体和读数头安装不合要求。3）严重碰撞使光栅副位置变化。第4章 光栅尺的精度4.1 提高光栅尺测量精度的有效方法光栅尺精度高、可靠性强、结构简单，在机床、二坐标和大量程直线测量设备中应用比较广泛。日前对其信号的检测有了非常简单、可靠的电路。其中有一种方法利用一片CAL和一片单片机2051就实现了光栅尺的计数细分和辨向。该法用CAL

44、先对光栅尺的两相相差90。的方波信号触发整形，然后采用组合时序逻辑实现四倍频的正向和反向脉冲信号，分别从不同的引脚输出，最后把这两个信号分别送入单片机2051的两个定时/计数器端口T0。计数值T0与T1的代数和，即是综合考虑了光栅尺正反运动后的绝对位移。这种方法和其他方法一样，没有充分利用光栅尺的多零位信息，存在以下缺点。（1)虽然消除了光栅尺的抖动干扰，却无法根除光栅尺在大噪声背景下引进的累积误差；（2)由于没有利用零位信号，一旦中途断电停机，再次测量时必须利用量块或基座重新标定光栅尺的绝对位置。引入光栅尺的多零位信息可以有效地解决这些问题，其实质是当光栅尺通过零位时，使所有计数器值清零。这

45、种方法必须解决以下问题:（1)光栅尺通过零位信号的方向和次数；（2)消除因光栅尺在零位附近抖动出现对零位信号的误判。本文采用在非零位处处理光栅尺计数值以及利用零位信号对光栅尺计数值自动纠错的方法，有效地解决了这些问题。4.1.1 引进零位信号后的光栅尺计数方法光栅尺每隔一定距离有一道特殊的零位刻线，每当运动到该位置时读数头发出一个零位信号，将该脉冲信号在CAL中经过整形后，送至单片机的外部中断INTO口(如图4-1）。图4-1 光栅尺计数电路图图中A,B为相位相差1/4周期的方波信号，Z为零位信号，CP-,CP+为四倍频的正向和反向脉冲信号，/Z为经过反向后的零位信号。T0，T1为计数器端口，

46、其中计数值为无符号数，即始终有T01，T11。/Z信号引入IN To后，当光栅尺通过零位刻线时，可在外部中断了程序中对计数器清零。设光栅尺两零位刻线间的距离相当于N个计数脉冲，则从零位开始的这段距离内满足-N T0-T1N。其中T0为正向脉冲计数值，T1为反向脉冲计数值.如果光栅尺在某段内产生了累积误差，通过零位刻线后，计数值被自动清零，计数重新开始，上一段内产生的累积误差被自动清除，不影响当前段的计数.图4-2 (a) ,(b)分别为步进电机驱动光栅尺前进20000步、后退20000步时，引入清零信号后的计数值T0-T1变化情况，这里N=10000。(a) 光栅尺前进计数值(b) 光栅尺后退

47、计数值图4-2 步进电机运动的变化4.1.2 引进零位信号后的光栅尺绝对位移计算引进零位信号后，对光栅尺绝对位移的计算关键是要准确地判断清零的方向和清零的次数，即判断正向清零次数和反向清零次数。如果脉冲计数绝对准确，那么光栅尺停留在零位时，满足T0-T1=N,T0-T1=-N中的一种情况。此时也是零位信号发出的时刻，因而T0、T1计数器在此刻要被自动清零。理论上由电机的运动方向可决定光栅尺的清零方向和次数，如图4-2(a) ,(b)分别为正向清零4次、反向清零4次。也可由计数值的变化规律来决定光栅尺的清零方向和次数，即计数值发生突变和经过零位的方向与次数。图4-3 光栅尺先前进再后退计数值如图

48、4-3为步进电机驱动光栅尺先前进11000步再后退9000步时，光栅尺计数值T0-T1的变化情况。从图4-3可以看出光栅尺是先正向清零2次，再反向清零2次，整体上相当于正向清零0次。这时绝对位移的计算公式为:；式中，分别为绝对位移、正向清零次数、反向清零次数和计数值的脉冲当量.如果电机在零刻线附近来回抖动，通过电机的运动方向判断，就会在同一点出现多次清零；或在大噪声背景或强电干扰下，在零刻线处值不满足绝对准确的情况，即在零刻线处有。为光栅尺在每段内的最大累积误差，这时光栅尺计数值的变化规律也发生了较大的变化。对经过零位的方向与次数容易发生误判，例如在光栅尺还没有到达真I I，零位时，计数值己为0，同样也会增加清零次数。因此必需采用软件在非零位处对计数值和清零次数进行适当修改，以避免对零位的误判。4.1.3 非零位处修正光栅尺计数值求取绝对位移的方法公式)、(2)改造为：a=(N+(T，一T )T(3)其中n, T c，一T，的值由下面的条件决定。在光栅尺处于系统复位位置时，n= O;Tc，为修II:后的To, T，为修II:后的T,，在初始时，To= To, Ti=T.在光栅尺通过零位时，To,T i被外部中断了程序清零.在光栅尺I I常工作情况下，n,Tc，一T，的修I