课时2 光栅尺

光栅尺是一种直线位移测量装置，它是在透明玻璃或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线制成的光学元件，当两个光栅尺相互重叠中间留有间隙（0.05~0.1mm），中心线倾斜很小的角度()，当平行光照射时光栅尺一面时，会在另一面会产生明暗相间的条纹称为莫尔条纹。数控机床采用计量光栅作为位置检测装置有很高的分辨力，可优于0．1μm。

 

     

                   图5-10　直线光栅外观及截面示意图
                                   a) 外观　  b) 截面
       1—尺身(铝外壳)2—带聚光透镜的LED3—标尺光栅　4—指示光栅　5—游标
            (装有光敏器件)6—密封唇　7—读数头　8—电子线路　9—信号电缆

                   

                       图5-11　安装示意图(卸掉防护罩后)
              1—床身　2—光栅尺　3—数读头　4—滚珠丝杠螺母副　5—床鞍

                     

                图2-15　计量光栅种类
                          a)透射光栅　b)反射光栅
              1—光源　2—透镜　3—指示光栅4—标尺光栅　5—光敏器件

莫尔条纹的形成原理

当用平行光源照射光栅时，由于刻线的透光和挡光及其光的衍射作用，使得在与刻线垂直的方向上，产生明暗相间的交替间隔相等的条纹，称为莫尔条纹。

                

                      图5-12　直线透射光栅结构组成及工作原理
                           a)透射光栅莫尔条纹生成示意图　b)莫尔条纹
           1—光源　2—透镜　3—指示光栅　4—标尺光栅　5—零位光栅　6—光敏器件

莫尔条纹的特点：

1）对应性—标尺光栅和指示光栅每相对移动一个光栅的节距，莫尔条纹也上或者下滚动一个莫尔条纹的距离B。改变光栅尺的移动方向时，莫尔条纹也跟着改变其滚动方向。

2) 放大作用—莫尔条纹的宽度B是放大了的光栅的栅距。

      

3）平均效应—虽然光栅的栅距制作由误差，但形成的莫尔条纹距离是相等的无误差。

4）信号变换作用—光栅尺产生的莫尔条纹，在相距处放置两个光敏元件sin 和con ,可以将莫尔条纹明暗相间的光带转换成相位相差90º的正弦电压信号，经过放大、整形后得到相位差90º的方波信号。

    类似光电编码器电路在检测编程正、负方向和计数信号，每光栅尺移动一个很小距离

莫尔条纹滚动一个距离B，光敏元件及其电路产生一个周期方波信号，通过计数器的计数值，就可计算光栅尺的移动距离X。如果经过4倍频可以提高4倍的分辨率。

                            

                            图5-12信号处理波形
        a)正弦测量信号　b)整形后的测量信号   c)5倍频处理后的测量信号