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光栅编码器

光栅编码器 光栅与∨?编码器‰介绍 本文引用地址:http:♀//www.eepw?.com.c‖n/arti…

光栅编码器

光栅与∨?编码器‰介绍

本文引用地址:http:♀//www.eepw?.com.c‖n/article/195770?.htm

位置检测装置作为数控⊕机床的∷重要组成部分,其作用?就是检测位移量,?并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较,若有偏差,经放大后控?制执行部件使其向着消除偏差?的方向运动,直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度,必须提高检?测元件和检测系统的精度。*其中以编码器,光栅?尺,旋转=变压器,测速发电机等比较普遍·,%下面主要对光栅和编码器进行?说明。

光栅,现∟代㈱光栅测量技术

+简要介绍:

将光源、两块长光栅(动尺和定∵尺)、光电检测器件等组合2在∠一№起构成的光栅传感器通⊿常≈称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号,动尺移动一个栅距,输出电信号便变化一个⊙周期,它是通过对信号变化周期的测量来测出动就?与定就职相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种?形式3,一是相位角?相差90度的2路方波信号,二是相位依次∑相差90度的4路正弦信号。这些ml信号的空间?位置周期为W﹢。下面针对1输出方℉波信号的光栅尺进行了讨论,而对于输出?正弦波信号的光栅尺,经过整形可变为方波信?号输出。输出方波的光栅尺有A相、B相和Z相三?个电信号,A相信号℃为?主?信号,B相为副信号,两个?信号周期相同,均为W,相位£差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。

?一、栅?式测量系统简述

 光栅编码器 从上个世纪50年代到70年代栅式?测量系统从感应同步≒器发展到光?栅、磁栅、容栅和球?栅,这5种测?量系统都是≯将一个栅距周期?内的绝对式测量㎜和∣周期外的增量式测量结合了起来,测量单位不是像激光一样的是光波波长,而是通用的米制(或英制?)标m尺。它们有各自的优势,相互补〒充,在竞争中都得到了?发展。由于?光栅测?量系统的综合技术性能优于其他4种,而且制造费用又比感应﹥同步<器、磁栅、球﹤栅低,因此光栅发展≥得最?快,技术性能最高,市场占有率最高,产业最大。光?栅在栅式测量系统中的占有率已超过?80%,光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微?米级、亚微米级和¥纳米级,测量速度从60m/min,到4?80m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。

?二、光栅测量技术发展的回顾

  计量光栅技术的基础是莫尔条纹(Moir?e fringes),18∝74年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值,直到20世纪50年代人们?才开始$利用光?栅?的莫尔条纹进行精密测量。1950?年?德国Heide﹣nhain首创D?IADUR复制工艺,也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺,这才能制造高精度、价廉的光?栅刻度尺,光栅计量仪器才能为用户所∫接受,进入商品市场。19?53年≮英国Ferran㎏ti公?司提出℡了一个4相信号系统,可以在一个莫尔?条纹周期实现4倍?频细分,≤并能鉴?别移动方向,这就∈是4倍频≌鉴相技术,是光栅测量系统的基础,并一直广泛应用至今。

   德国Heidenha?in公司1961年开始开发光栅尺和?圆栅编码器,并制造出栅距为4μm(250线/mm3)的光栅尺和⊥10﹣0?00线/转的圆光栅㎝测量系统,能实现1?微米和?1角秒的测量分辨力。1?966年制造出?了栅距为20μ?m∞(50线/mm)的封闭-式直线光栅编码器。在80年代又推出AURODUR工艺,是在钢基材料上制作?高反射℅率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个﹢参考标记(零位)的基础上㏒增加了距离编码。在1987?年又㏕提出一种新的干涉原理,?采用/衍射光栅实现纳米级的测量,?并*允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行∥快速连″续接?口,使绝对编码∶器和增量编码器一样很方便的应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善,应用的领域很广泛,全世界光栅直线传±感器的年产量在60万件左右,其中封 ?闭式光栅尺约占85%,开启式光∷栅尺约占15%。

三、当今%采用的光电扫描原理?及其产品系列

   光栅根据形成莫尔条纹的原理?不同分为几何光栅(≠幅值光栅)和衍射光栅(相位光栅),又可?×根据光路的∴不同分为透射光栅和?反射光栅£。光米级和亚微米?≦级的?光栅测量?是采用几何光栅,光栅栅距为100μm至2§0μm远于光源光波°波长,衍射现㎎象可以忽略,当两块光栅相对移动时产生?低?频拍现象形成莫尔×条纹,其测量原理∧称影像原√理。纳米?级的光≡栅测量是采?mol用衍射光栅,光栅栅距是8μm?或4μm∮,栅线的宽度与光的波长很接近??,则产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹,其测量原理¤称干涉原理。?现以Heidenhain产品采用的3种测量原理介绍如下?。 ′

1.具o有四?场扫描?的影像测量原理(透射法)

  采用?垂直入射光学系统均为4?相信号系统,¢是将指示光栅(扫描掩膜)开四个窗口分为4相,每相栅线依=次错位四分之一栅距,在接收⌒∩的4个光电元件上@可得到理想的4相信号,这称?为具有四场扫描的影像测量?原理。Heidenhain的LS≧系列产品均采◎用此原?理,其栅距为20μ?m,测量步距为0.5μm,准确度为±10、±5、?±3μm三种,最大测量长度3m,载体为玻璃。

2.有准单场扫描的影像测量原理(反射法)

  反射标尺光¥栅是采用40μm栅距的钢带,指示光栅?(扫描掩膜)用?二个相互交错并?有不同衍射性能?的相位光栅组成,这样一来,一个扫描场就可以?产生相移为四分之一栅距的四㏑个图象,称此原理为准单※场扫描的影象测量原理。÷由∪于只用一个扫描场,标尺光栅局部的污染使光m场强度的变化?是均匀的,并对四个光?电接收元件的影响是相同的?,因此¬不会影响光栅信号的质量。与此同时,指示光栅和标尺光栅的㎡间隙和间隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列㏄的金属反㎞射♂光栅就是采∏用这一原理?。L?IDA系列开式光栅其栅距为40μm和20μm?,μ测??量步距0?.1μm,准确度有±5μm、±?3?μ>m,测?量长度可达30m,最大速度480m/min。LB系列闭式光栅栅距都?是40μm∽,最大速度可达?120m/min。
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