位置检测系统..docx

光栅位置检测系统及原理 光栅工作原理 ? 计量光栅有长光栅和圆光栅两种， 是数控机床和数显系统常用的 检测元件，具有精度高、响应速度较快等优点。现时市场最常用的就 是投射式光栅传感器与反射式光栅传感器。 ? 光栅位置检测装置由光源、两块光栅（长光栅、短光栅）和光 电元件组成， 光栅就是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻上很多和 运动方向垂直的线条。线条之间的距离（称之为栅距）可以根据所需 的精度决定，一般是每毫米刻 50 、 100 、 200 、条线。长光栅装在机 床的移动部件上，称之为标尺光栅，短光栅装在机床的固定部件上， 称之为指示光栅，两块光栅互相平行并保持一定的间隙（如 0.05mm 或 0.1mm 等） ，而两块光栅的刻线密度相同。 ? 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度ｄ，这 样两块光栅的刻线相交，则在相交处出现黑色条纹，称为莫尔条纹。 由于两块光栅的刻线密度相等， 即栅距ｗ相等， 而产生的莫尔条纹的 方向和光栅刻线方向大致垂直，莫尔条纹的节距 W= ｗ / θ ? 这表明莫尔条纹的节距是光栅栅距的 1/ θ 倍，当标尺光栅移动 时， 莫尔条纹就沿垂直于光栅移动方向移动。 当光栅移动一个栅距ｗ 时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距 W ，也就是说两者一一对 应，所以，只要读出移过莫尔条纹的数木，就可以知道光栅移过了多 少个栅距， 而栅距在制造时是已知的， 所以光栅的移动距离就可以通 过电气系统自动地测量出来。 ? 如果光栅的刻线为 100 条，即栅距为 0.01mm 时，人们是无法用 ? ? 肉眼来分辨的， 但它的莫尔条纹却清晰可见， 所以莫尔条纹是一种简 单的放大机构。其放大倍数，取决于两光栅刻线交角 θ ，如ｗ =0.01mm 、 W=10mm ，则其放大倍数 1/ θ =W/ ｗ =1000 倍，这是莫尔 条纹系统的特点。 ? 莫尔条纹的另一个特点，就是平均效应。因为莫尔条纹是有若 干条光栅刻线组成， 若光电元件接受长度为 10mm ， 在ｗ =0.01mm 时， 光电元件接受的信号由 1000 条刻线组成，如果制造上的缺陷，比如 间断地少几根线只会影响千分之几的光电效果。 所以莫尔条纹测量长 度，决定其精度的要素不是一根线，而是一组先得平均效应。其精度 比单纯栅距精度高，尤其是重复精度有显著提高。 ? ?? 光栅是利用光的反射、透射和干涉现象制成的一种光电检测装置，有物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线比较细密，两刻线之间距离(称为栅距)在0．002~0.005mm之间，它通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅刻线较粗，栅距在o．004～0.025mm之间，在数字检测系统中，通常用于高精度位移的检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置 尤其是在闭环伺服系统中。? 光栅位置检测装置由光源、长光栅(标尺光栅、短光栅(指示光栅)和光电元件等组成（见图3—23)。 ? 按照不同的分类方法，计量光栅可分为直线光栅和圆形光栅；透射光栅和反射光栅；增量式光栅和绝对式光栅等。本节仅介绍直线光栅。??? 根据光栅的工作原理分直线式透射光栅和莫尔条纹式光栅两类。一。直线式透射光栅? 在玻璃表面刻上透明和不透明的间隔相等的线纹(即黑白相问的线纹)，称为透射光栅。其制造工艺为在玻璃表面加感光材料或金属镀膜上刻成光栅线纹，也可采用刻蜡、腐蚀或涂黑工艺。透射光栅的特点是：光源可以采用垂直入射光，光电接收元件可以直接接收信号，信号幅值比较大，信嗓比高，光电转换元件结构简单。同时，透射光栅单位长度上所刻的条纹数比较多，一般可以达到每毫米100条线纹，达到0．01mm的分辨率，使检测电子线路大大简化。但其长度不能做得太长，目前可达到2m左右。? 如图3—24所示，它是用光电元件把两块光栅移动时产生的明暗变化转变为电 流变化的方式。长光栅装在机床移动部件上，称之为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称之为指示光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上。若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接收到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接收到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接收到的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开1／4栅距，并通过鉴向线路进行判别。??? 由于这种光栅只能透过单个透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。二?? 奠尔条纹式光栅??? 如果使两片光栅靠近并稍有倾斜时，在和光栅垂直方向上可以看到非常粗大的条纹，这