直线光栅尺的工作原理详解

(1）光栅尺的结构

光栅尺是在玻璃或金属基体上均匀地刻画很多等节距的条纹而制成的。 它的制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜,再涂上一层均匀的感光材料,然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的条纹,这些线纹与运动方向垂直,线纹间距离为栅距。

光栅尺由定尺(标尺光栅)和扫描头(指示光栅)组成,如图10.2 所示。 当数控机床的坐标轴移动时,使其定尺和扫描头相对运动。 由于动尺与指示光栅的位置有一定的角度,这种相对运动产生了莫尔效应,将位置移动量转化成亮暗相间的光的摩尔条纹移动,再由光电转化成数字量的电信号。

图10.2　光栅尺

定尺的测长方向上有两组光栅线轨迹,主光栅线和每隔50 mm 一组的基准标记光栅线。这使得光栅尺起到两个作用:一是当轴移动时由主光栅线产生两组相位相差90°的正弦和余弦的电信号,用于决定轴的移动方向和位移量;二是当轴回零点时,由基准标记线产生一个基准信号,以确定机床的机床零点。 主光栅所产生的两组位置信号还要经过一个放大整形和插值倍频的专门装置,使其转变成一系列位置数字脉冲。

(2）信号处理电路

1)输出信号

增量式旋转测量装置或直线测量装置的输出信号有两种形式:一是电压或电流正弦信号,其中EXE 为脉冲整形插值器;二是TTL 电平信号。

机床在运动过程中,从扫描单元输出三组信号:两组增量信号由4 个光电池产生,将两个相差180°的光电池接在一起,它们推挽就形成了相位差90°、幅值为11 μA 左右的Ie1 和Ie2两组近似正弦波;另一组基准信号也由两个相差180°的光电池接成推挽形式,输出为一尖峰信号Ie0,其有效分量为5.5 μA,此信号只有经过基准标志时才会产生。 所谓基准标志,是在光栅尺外壳上装有一块磁铁,在扫描单元上装有一只干簧管,在接近磁铁时,干簧管接通,基准信号才能输出。

两组增量信号Ie1、Ie2 经传输电缆和接插件进入EXE,经放大、整形后,输出两路相差90°的方波信号Ua1、Ua2 及参考信号Ua0,这些信号经适当组合处理,即可在一个信号周期内产生5 个脉冲,即5 倍频处理,经连接器送至CNC 位控模块。

2)EXE 信号处理

如图10.3 所示,脉冲整形插值器EXE 的作用是将光栅尺或编码器输出的增量信号Ie1、Ie2 和Ie0 进行放大、整形、倍频和报警处理,输出至CNC 进行位置控制。 EXE 由基本电路和细分电路组成。(www.xing528.com)

图10.3　信号处理过程

基本电路印制电路板内含通道放大器、整形电路、驱动和报警电路等,细分电路作为一种任选功能单独制成一块线路板,两板通过J3 连接器连接。

①通道放大器

当光栅检测产生正弦波电流信号Ie1、Ie2 和Ie0 后,经通道放大器,输出一定幅值的正弦电流电压。

②整形电路

在对Ie1、Ie2 和Ie0 放大的基础上,经整形电路转换成与之相对应的三路方波信号Ua1、Ua2 及Ua0,其TTL 高电平不低于2.5 V,低电平不高于0.5 V。

③报警电路

当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损坏等原因,造成通道放大器输出信号为零,这时,报警信号经驱动电路驱动后,由连接器J2 输出至CNC 系统。

④细分电路

在某些精度要求很高的数控机床,如数控磨床的位置控制中,要求位置测量有较高的分辨率,如仅靠光栅尺本身的精度是不能满足的,因此,必须采用细分电路来提高分辨率,以适应高精度机床的需要:基本电路通道放大器的输出信号经连接器J3 接入细分电路,经细分电路处理后,又通过连接器J3 输出在一个周期内两路相差90°、占空比为1∶1的细分方波信号。这两路方波信号经基本电路中的驱动电路驱动后,即为对应的Ua1、Ua2 通道信号,由连接器J2 输出至CNC 系统。

另外,同步电路的目的是获得与Ua1 和Ua2 两路方波信号前后沿精确对应的方波参考脉冲。