第三节 光橛尺-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

第三节　 光栅尺 一、光栅尺的分类 光栅尺位移传感器是当前高精度数控机床位移测量与反馈的主要传感器，其精度仅次于 激光式测量。 按照制造方法和光学原理的不同，可分为透射光栅和反射光栅。 透射光栅是指 在光学玻璃上利用光刻机刻上大量宽度和距离都相等的平行条纹制品，其光源与接收装置分 别放置在光栅尺的两侧，通过接收光栅尺透过来的衍射光的变化反映位置变化。 反射光栅是 指在金属镜面上制成的全反射与漫反射间隔相等的密集条纹制品，其光源与接收装置安装在 光栅尺的同一侧，通过接收光栅尺反射回来的衍射光变化反映位置的变化。 透射光栅制作工艺相对简单，光栅条纹边缘清晰，且采用垂直入射光，光电元件可直接接 收，因此其读数头结构简单。 但由于玻璃的强度限制，其长度受到一定制约。 反射光栅由于 其基体为金属，其线膨胀系数容易做到与机床本体一致，且不易破碎，接长方便，长度可达百 米以上，可用于大行程位移的测量。 光栅尺根据运动方式的不同，分为直线光栅和圆光栅。 直线光栅用来测量直线位移，圆 光栅用来测量角位移。 根据编码输出方式的不同，分为增量式光栅尺和绝对式光栅尺。 由于 采用绝对式光栅位移传感器的机床，在重新开机后，无须执行回参考点操作，就可以立刻获得 各个轴当前的位置值及刀具的空间指向。 因此可以省去原点开关，甚至可以省掉行程开关。 绝对式光栅位移传感器是高档全闭环数控机床的应用主流。 二、 增量式直线光栅尺 下面以采用透射光栅的光栅尺为例，介绍增量式直线光栅尺的工作原理。 （一）结构 增量式直线光栅尺一般由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（如工作台上），光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅安装在光栅读数头 中。 此种安装方式的优点是读数头固定，其输出导线不移动容易固定。 当然也可以将标尺光 栅安装在固定部件上，而读数头运动，此时需要安装电缆拖链来保护读数头电缆。 当光栅读 数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。 图 ３⁃１０ 为德国海德汉公司 封闭式直线光栅尺实物及结构示意图，图 ３⁃１１ 为增量光栅尺读数头的原理图。 图 ３⁃１０　 封闭式直线光栅尺实物及结构示意图 ７６ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ３⁃１１　 增量光栅尺读数原理 标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺，它们是在真空镀膜的玻璃片或长条形金属镜面上光刻 出均匀密集的线纹。 光栅的线纹相互平行，线纹之间的距离称为栅距。 对于圆光栅这些线纹是 圆心角相等的向心条纹，两条向心条纹线之间的夹角称为栅距角。 栅距和栅距角是决定光栅光 学性质的基本参数。 对于直线光栅，玻璃透射光栅的线纹密度一般为每毫米 １００～２５０ 个条纹； 金属反射光栅的线纹密度一般为每毫米 ２５～５０ 个条纹。 对于圆光栅，一周内可有１０ ８００ 条线纹 （圆光栅直径为 ２７０ ｍｍ）。 实际应用中，标尺光栅与指示光栅的线纹密度必须相同。 光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹转换为电信号。 图 ３⁃１１ 为垂直入射的读 数头原理。 读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路等组成。 图中的标尺光栅不 属于光栅读数头，但它要穿过光栅读数头，且保证与指示光栅有准确的相互位置关系，间隙要 严格保证（一般为 ０．０５～０．１ ｍｍ）。 光栅读数头还有分光读数头、反射读数头和镜像读数头等 几种。 （二）工作原理 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 θ，并且两个光栅尺刻面 相对平行放置时，在光源的照射下，在垂直栅纹方向上，会形成明暗相间的条纹。 这种条纹称 为“莫尔条纹”，如图 ３⁃１２ 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 分线相垂直的。 莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以 Ｗ 表 示。 莫尔条纹具有以下特征。 （１）莫尔条纹的变化规律 当光栅相对移过一个栅距时，莫尔条纹移过一个条纹间距。 如图 ３⁃１２ 所示，线 １，２ 是标 尺光栅上两条相邻的不透光条纹，线 ３ 是指示光栅上的一条不透光条纹。 线 ２ 与线 ３ 交于 Ａ 点，线 １ 与线 ３ 交于 Ｂ 点，这两个点都是暗点。 当标尺光栅移过一个栅距时，线 ２ 移到线 １ 的 位置，Ａ 点移动到原来的 Ｂ 点位置。 莫尔条纹准确地移过了它自己的一个间距。 由于光的衍 射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅 距数同步。 （２）放大作用 在两光栅栅线夹角 θ 较小的情况下，莫尔条纹宽度 Ｗ 和光栅栅距 ｄ 栅线夹角 θ 之间有下 列关系： ８６ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 Ｗ ≈ ｄ ｓｉｎ θ 式中，θ 的单位为 ｒａｄ；Ｗ 的单位为 ｍｍ。 当 θ 角很小时，又有 ｓｉｎ θ≈θ，则 Ｗ ≈ ｄ θ 　 　 若 ｄ＝ ０．０１ ｍｍ，θ＝ ０．０１ ｒａｄ，则由上式可得 Ｗ＝ １ ｍｍ，即把光栅距转换成放大 １００ 倍的莫 尔条纹宽度。 图 ３⁃１２　 莫尔条纹 （３）均化误差作用 莫尔条纹是由若干光栅条纹共同形成，例如 １００ ｌｉｎｅ ／ ｍｍ 的光栅，１０ ｍｍ 宽的莫尔条纹就 由 １ ０００ 条线纹组成，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了栅距不均匀造成的 误差。 （三）位移方向的确定 和增量式旋转脉冲编码器一样，采用两个光敏元件即可判断位移方向。 为此，需设置两 个狭缝，其中心距离为 Ｗ ／ ４。 透过两个狭缝的光，分别为两个光电元件所接收。 至于哪一个 信号超前，完全取决于移动方向。 （四）光栅位移—数字变换电路 在光栅测量系统中，为了提高分辨率和测量精度，仅靠增大栅线的密度来实现是不现 实的，因为线纹密度超过 ２５０ ｌｉｎｅ ／ ｍｍ 的光栅制造非常困难，成本也高。 另外，标尺光栅与 指示光栅之间的安装间隙与栅距成正比，当栅距很小时，安装调整的难度也会大大增加。 工程上常采用莫尔条纹的细分技术来提高光栅检测的分辨率。 细分技术包括光学细分、机 械细分和电子细分等。 伺服系统中，应用最多的是电子细分方法。 本书介绍一种常用的四 倍频光栅位移—数字变换电路，图 ３⁃１３ 为该电路的组成，其中（ ａ）为原理框图，（ ｂ）为逻辑 电路图。 ９６ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ３⁃１３　 四倍频光栅位移—数字变换电路 图 ３⁃１４　 四倍频电路工作波形 　 　 图 ３⁃１４ 为四倍频电路工作波形图。 光 栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接收， 然后经过位移—数字变换电路形成运动时的 正向脉冲和负向脉冲，由可逆计数器计数。 在一个莫尔条纹的宽度内，按一定间隔放置 ４ 块光电池，发出的信号分别为 ａ、ｂ、ｃ 和 ｄ， 相位彼此相差 ９０°。 ａ， ｃ 信号是相位差为 １８０°的两个信号，送入差动放大器放大，得余 弦（ｃｏｓ）信号。 同时将信号幅度放到足够大。 同理 ｂ、ｄ 信号送入另一个差动放大器，得到 正弦（ｓｉｎ）信号。 余弦、正弦信号经整形变成 方波 Ａ 和 Ｂ，Ａ 和 Ｂ 信号经反向得 Ｃ 和 Ｄ 信 号。 Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄ 信号再经微分变成窄脉冲 Ａ′、 Ｃ′、Ｂ′、Ｄ′，即在正走或反走时每个方波的上 升沿产生窄脉冲，由与门电路把 ０°、 ９０°、 １８０°、２７０°四个位置上产生的窄脉冲组合起 来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反 向脉冲，用可逆计数器进行计数，测量光栅的 实际位移。 本质上讲四倍频是通过电路分别 对 Ａ、Ｂ 信号的上升沿与下降沿都计数而实 现的。 ０７ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 增量式光栅检测装置通常给出这样一值号：Ａ、Ａ［相当于图 ３⁃１３（ｂ）中的 Ｃ 信号］，Ｂ、Ｂ ［相当于图 ３⁃１３（ｂ）中的 Ｄ 信号］，Ｚ、Ｚ 六个信号。 其中，Ａ 与 Ｂ 相差 ９０°，Ａ、Ｂ 分别为与 Ａ、Ｂ 反 相 １８０°的信号。 Ｚ、Ｚ 互为反相，是零位参考信号。 所有这些信号都是方波信号。 图 ３⁃１３（ｂ）中， 就是利用这些信号组成了四倍频细分电路（图中 Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄ 信号右面的部分）。 零位参考信号 是增量式光栅尺用来建立绝对基准的。 高速高精的增量光栅尺一般输出正弦和余弦模拟信 号，此信号进入控制器后，可以采用插补电路利用信号波形相位的变化对其进行 ５ 倍、１０ 倍、 ２０ 倍甚至 １００ 倍以上的细分。 需要注意的是，细分技术仅仅提高了光栅尺传感器的分辨率，至于精度还是由光栅尺刻 线时的精度所决定的。 如某型号光栅尺的指标如下，分辨率为 ０．００５ μｍ，精度等级为±３ μｍ。 高分辨率不一定代表高精度，但高精度的运动系统一定要选择高分辨率的传感器。 （五）安装注意事项 安装光栅尺位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的床身上，更不能安装在 打底涂漆的床身上。 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方向的平行度。 千分表固定在床身上，移动工作台， 要求平行度达到 ０．１ ｍｍ ／ １ ０００ ｍｍ 以内。 如果不能达到这个要求，则需设计加工一个光栅尺 基座，对基座的要求： ①基座最好长出光栅尺 ５０ ｍｍ 左右； ②基座通过铣、磨工序加工，保证其平面度在 ０． １ ｍｍ ／ １ ０００ ｍｍ 以内。 三、绝对光栅尺 绝对光栅尺在开机时立即提供当前的位置信息，无需备用电池，使控制系统（数控、计算 机、驱动器、数显表等）在工作状态下能随时、准确、快速地得到机床当前的坐标值，而不像使 用增量式直线光栅尺那样，需要进行回零操作，从而大大提高了机床的工作效率，且更可靠和 安全。 图 ３⁃１５ 为绝对光栅尺的工作原理图。 绝对光栅尺由多组不同刻线周期的光栅条纹组 成，按照一定规则排列的光电池接收透过指示光栅和标尺光栅的光强信号，将其转换为二进 制的电信号。 当前绝对光栅尺的测量步距（分辨率）已达到 １ ｎｍ。 图 ３⁃１５　 绝对光栅尺的工作原理图 １７ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 　 　 为了更进一步提高分辨率，有些绝对直线光栅尺不但包含绝对码线还包含增量码线。 一 条刻线用于产生在全长上不重复的连续二进制代码，另一条刻线用于产生常用的正弦波信号 （与增量式直线光栅尺相同），通过信号细分提供位置值，同时也能生成供选用的增量信号。 图 ３⁃１６ 为海德汉公司的带增量码线的绝对编码光栅尺的示意图，绝对码线采用了先进的单码 道伪随机循环序列码的编码原理。 图 ３⁃１６　 带增量码线的绝对编码光栅尺的示意图 绝对直线光栅尺的信号输出接口与绝对编码器的信号接口相似，主要是以串行通信的方 式输出数字信号。 另外，各光栅尺制造商都提供不同通信协议类型的绝对式直线光栅尺，用 于兼容市场上常见的控制系统，例如 Ｓｉｅｍｅｎｓ、ＦＡＮＵＣ、ＦＡＧＯＲ、三菱、松下等。 四、圆光栅 圆光栅又称角度编码器，是指精度高于±５″和线数高于 １０ ０００ 的编码器，一般用于精度要 求在数角秒以内的高精度角度测量，如回转工作台、摆头、高精度分度头、测量机等。 而旋转 编码器通常是指精度等级低于±１０″的编码器，用于旋转运动和角速度测量，也常用于电机、数 控机床进给坐标等。 圆光栅有各种规格的直径和刻线数供选择，结构较简洁，玻璃圆光栅主要在转速小于 １０ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ 的场合应用，转速高于 ２０ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ 时，使用金属光栅鼓、大直径光栅尺的基体 为钢带。 最为常用的为在柱面上直接刻线的金属圆光栅。 第四节　 旋转变压器 旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。 它是一种测量角度用的小型交流电 动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。 其中定子绕组作为变 压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用 ４００ Ｈｚ、３ ０００ Ｈｚ 及 ５ ０００ Ｈｚ 等。 转子绕组作为 变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。 一、旋转变压器的结构 旋转变压器分为有刷和无刷两种。 有刷旋转变压器在定子与转子上的两相绕组轴线分 别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面来。 无刷旋转变压器 无电刷与滑环，由分解器和变压器组成，如图 ３⁃１７ 所示。 ２７ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍