光栅工作原理简介

8/8光栅工作原理简介光栅工作原理简介

数控系统位置环结构

位置检测装置

+_

传动机构

轴的运动

电机

位置给定

数控计算

驱动

位置检测装置的重要性

?检测被控对象（轴）的位置并反馈给控制器

?其测量精度直接决定了系统控制精度

?一般应至少比机床精度高一个数量级

常用位置测量技术

测量技术开发

年代

代表

厂商

信号

周期分辨率准确度

感应同步器50美国

FARRAND

2000

μm

5μm±20μm

光栅60德国

Heidenhain

20μm1μm±2μm

磁栅60日本

SONY

200μm1μm±10μm

激光70美国

HPλ=0.6328

μmλ/16

光栅

?光栅由光栅尺和读数头组成

?光栅尺上有排列均匀的刻线作为长度基准

?读数头上有读数光栅及光学器件

?栅距ω：常用的为10—100微米

ω

光栅的种类-1?按原理分

–物理光栅（衍射光栅）

刻线间距接近光波波长，用于光谱分析

–计量光栅

刻线间距一般从4微米—100微米

?按形状分

–直线光栅

–圆光栅

?按输出信号种类分

–增量式光栅

–绝对式光栅

光栅的种类-续?按材质分

–金属光栅

–玻璃光栅

–陶瓷光栅?按光路分

–透射式光栅

–反射式光栅?按结构分

–封闭式光栅

–开放式光栅LS106封闭式直线光栅开放式直线光栅

光电效应

?外光电效应

–真空光电管，广电

倍增管

?光电导效应

–半导体光敏电阻?光生福特效应

–光敏二极管，光敏

三极管，光电池

光通

量(lm)

5001000

电流

(mA)

10

20

30

40

50

光敏二极管的光照特性

莫尔条纹

ω1

ω2

θ

d

?莫尔条纹是光栅工作的基础

?莫尔条纹的特征：

–对光栅节距的放大作用

ω1=ω2=ωd=ω/θ=Kω

K=1/θ–莫尔条纹放大系数ω=0.04mm,K=250d=10mm

–莫尔条纹运动与光栅副运动的对应性

?运动方向的对应?运动频率的对应

莫尔条纹演示

?莫尔条纹的运动频率和方向都与光栅副运动对应

四场扫描?通过四个光电管同时扫描

光栅的四个位置

?得到四个各自相差90o电角

度的正弦信号

?二二反并联使幅值增强一

倍，得到二组相差90o的正

弦信号

?由于四个光电管扫描的是

Cos四个不同部位，抗划伤能

力较差Sin

准单一场扫描?通过四个光电管扫描光

栅的同一个位置

?得到四个各自相差90o

电角度的正弦信号

?二二反并联使幅值增强

一倍，得到二组相差

90o的正弦信号

?由于四个光电管扫描的

是同一部位，抗污染、划伤能力大大增强SinCos

李萨如图形

?x=A1sin(ωt)y=A2cos(ωt)A1=A2=A

x2+y2=A2(sin2(ωt)+cos2(ωt))=A2

?x=A1sin(ωt)y=A2cos(ωt)A1≠A2

x2+y2=A12sin2(ωt)+A22cos2(ωt)

二相幅值相等时是圆形二相幅值不等时是椭圆形

x

x

y

y

信号处理与细分

放大器1

1

3

检波放大器sin

放

大器2

24

检波放大器

cos放大器

0整形电路参考细分电路整形电路

组合电路

线驱动器

通道A

通道B

线驱动器

线驱动器

零位

波形?原始正弦信号

?直接转换成方波

?五倍细分并转换成方波

参考信号

?在主光栅尺的下面有一个或几个小光栅，提供参考信号，用于机床的回零

带距离编码的参考信号

?在主光栅尺的下面有一组不等间距分布的小光栅，提供参考信号，用于机床快速回零

10.0210.04

10.0010.06

20202020

绝对式光栅

?由几个光栅轨按照一定编码

规则组合而成

?读头移动到行程长度内任意

位置均有一个特定的读数

?开机即有位置，不需要回零

操作

轨道1

轨道2

轨道3

光栅的精度

?准确度等级

–在整个行程范围任意1米测量长度区段内建立在平均值基础上的位置偏差F的最大值Fmax均落在±α（μm）之内，则±α为准确度等

级

?一个信号周期内的位置偏差

型号类型信号周期精度等级推荐最小

测量步距

最高移动速度

LB382封闭增量式40μm±5