项目15 数控机床光栅位移传感器的安装与调试（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

项目15 数控机床光栅位移传感器的安装与调试 本项目要求在机床上安装和调试光栅位移传感器。 光栅位移传感器以其优越的性能，目前已经得到了较为广泛的应用。它不仅完善了加工精度，更重要的是提高了加工的工作效率。现在我国加工业、制造业越来越成熟，当对加工的精度要求越来越高的时候，例如在铣床、磨床、车床、线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺来解决。光栅位移传感器对工作环境的要求相对来说不是很苛刻，对操作者来说也非常简单、方便。 知识和能力目标； 熟悉常用的数字式传感器基本结构。 了解数字式传感器的基本工作原理。 掌握数字式传感器的特性，正确选用、安装、调试、操作和维护数字式传感器。 知识准备 一、栅式数字传感器 （一）光栅的类型和结构 光栅主要由光栅尺（光栅副）和光栅读数头两部分构成。光栅尺包括主光栅（标尺光栅）和指示光栅，主光栅和指示光栅的栅线的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与主光栅重叠在一起，两者之间保持很小的间隙。主光栅和指示光栅中一个固定不动，另一个安装在运动部件 上，两者之间可以形成相对运动；光栅读数头包括光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路等。 (a) 光栅尺实物图 (b) 光栅尺结构示意图 (c) 光栅放大图 (a) 对称形 (b) 非对称形 (a) 圆光栅实物图 (b) 径向光栅 (c) 切向光栅 （二） 光栅的工作原理 1 莫尔条纹 图15-5 光栅与莫尔条纹示意图（θ≠0） 2莫尔条纹的特点 (1)放大作用 由式15-1可知，θ越小，B越大，这相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的573倍，相当于把栅距放大了573倍 (2)平均效应 莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。 (3)运动方向 当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者运动方向垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。 (4)对应关系 两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。光敏元件接受到的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，如图15-6所示。 (5)莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数 例如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（即移过了100x条光栅栅线），则从光电元件前掠过的莫尔条纹数也为100x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。 （三）光栅式传感器的测量电路 1光电转换 图15-7 光栅读数头结构示意图 1—光源 2—透镜 3—主光栅 图15-8 光电元件输出波形 4—指示光栅 5—光电元件 2辨向原理 (a) 辨向电路 (b) 正向运动的波形图 (c) 反向运动的波形图 图15-9 辨向逻辑电路原理图 3细分技术 由前面分析可知当两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个间距B，光电元件输出变化一个电周期2π，经信号转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数，则它的分辨力为一个光栅栅距W。为了提高分辨力，可以采用增加刻线密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。另一种方法是采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫倍频。 细分的方法有很多种，常用的细分方法是直接细分，细分数为4，所以又称四倍频细分。实现的方法有两种：一种是在莫尔条纹宽度内依次放置四个光电元件采集不同相位的信号，从而获得相位依次相差90o的四个正弦信号，再通过细分电路，分别输出四个脉冲。另一种方法是采用在相距B/4的位置上，放置两个光电元件，首先得到相位差90o的两路正弦信号s和c，然后将此两路信号送入图15-10（a）所示的细分辨向电路。这两路信号经过放大器放大，再由整形电路整形为两路方波信号。并把这两路信号各反向一次，就可以得到四路相位依次为90o、180o、270o、360o方波信号，它们经过RC微分电路，就可以得到四个尖脉冲信号。 (a) 逻辑电路 (b) 波形（正向运动） 图15