光栅的结构和原理详解

图8-18 位置检测系统的构成

图8-19 莫尔条纹

1.光栅测量系统的工作原理

1）位置检测系统的构成。HEIDENHAIN生产的用于适时控制的光栅位置检测系统，由栅尺和EXE（脉冲放大整形及细分）两大部分构成，如图8-18所示。栅尺（或旋转编码器）检测机床的位移，并将与位移量和位移方向相关的两路信号送入EXE，进行放大、整形和电子细分，最后经长线驱动后送入CNC，形成全闭环控制系统。

2）栅尺的工作原理。具有等间隔排列又能透过光线的细小狭缝称为光栅。如果把两个同样的光栅相互错开一个角度叠合在一起，在标尺光栅与指示光栅细小狭缝相交的区域透射光可以全部通过，形成亮区，非相交部分由于透射光被遮挡而形成暗区，这明暗相间的条纹就是莫尔条纹，如图8-19所示。显然，莫尔条纹是在光栅的垂直方向上。

当指示光栅相对标尺光栅作水平运动时，莫尔条纹将上下运动，且光栅移动一个栅距（节距）P时，条纹将移动距离d，θ角越小，条纹的间距越大。这种效应提供了一种可观测的条纹。HEIDENHAIN公司生产的指示光栅由5个短光栅构成，其排列如图8-20a所示，与此对应使用了三组共6个硅光电池，如图8-20b所示，用于把莫尔条纹的明、暗变化转换成电流信号输出。在位置安排上，指示光栅G₁和G₂相差1/2栅距，也就是说硅光电池S₁处于亮区时，S₂正好在暗区。这样当莫尔条纹移动时这组反并联的硅光电池，就可输出一个按正弦规律变化的电流信号I_e1；同理指示光栅G₃和G₄也相差1/2栅距，在对应的硅光电池S₃和S₄将形成正弦电流信号I_e2。需说明的是，指示光栅G₁、G₂和G₃、G₄之间相差1/4栅距，这样在电流信号I_e1和I_e2之间形成了90°的相位差。它是数控系统识别坐标运动方向的依据。指示光栅G₅是用来读取参考标记的，相对应的硅光电池S₅和S₆将其转换成参考标记电流信号输出。数控机床的回参考点过程实质上就是在规定的坐标区间内寻找参考信号的过程。当动尺移动通过静尺上参考标记时，S₅和S₆上就会产生参考标记信号I_e0。图8-21反映了I_e0、I_e1和I_e2之间的关系。

图8-20 光栅及硅光电池的结构

a）指示光栅的结构 b）六个硅光电池

图8-21 I_e0、I_e1和I_e2之间的关系

图8-22所示为整个光电扫描装置的相互位置关系。

从上述工作原理可看出，光栅的精度决定了整个测量系统的精度。它一方面取决于刻线精度；另一方面和栅尺所用的材料有关。目前栅尺的基板多采用玻璃、钢板、钢带或玻璃陶瓷。HEIDENHAIN特殊的制造工艺，可以控制这些材料的热膨胀系数，也就是说可将玻璃栅尺的膨胀系数做到和钢铁一样，而玻璃陶瓷基板做成的栅尺，可以做到不受温度波动影响，其温度系数为零。

在刻线方面HEIDENHAIN公司于1950年首创了DIADUR复制工艺，即镀铬、光刻复制工艺。它是先在基板上沉淀一层极薄的铬层，然后用激光刻线，精度很高。这种工艺最突出的贡献是可以用复制的方法制造出与母板精度完全一样的光栅，这不仅大大降低了生产成本，而且生产出来的光栅具有很好的一致性，为使用电子细分电路奠定了基础。显然，用DIADUR工艺做出的直线和圆盘光栅是HEIDENHAIN直线与角度测量系统实现高精度的基础。

图8-22 光电扫描装置的相互位置关系(www.xing528.com)

2.光栅测量系统的结构

光栅有透射光栅和反射光栅两类，如图8-23所示。

图8-23 光栅种类

a）透射光栅 b）反射光栅

透射光栅是在透明的光学玻璃板上，刻制平行且等距的密集线纹，利用光的透射现象形成光栅；反射光栅一般用不透明的金属材料，如不锈钢板或铝板，在其上刻制平行且等距的密集线纹，利用光的全反射或漫反射形成光栅。下面以透射光栅为例介绍其工作原理。

光栅通常由一长一短两块光栅尺配套使用。其中长的一块称为主光栅或标尺光栅G₁，要求与行程等长；短的一块称为指示光栅G₂，指示光栅和光源、透镜、光电元件装在扫描头中。光栅尺上相邻两条光栅线纹间的距离称为栅距或节距（ω）。每毫米长度上的线纹数称为线密度k。栅距与线密度互为倒数，即ω＝1／k。常见的直线光栅线密度为50条/mm、100条/mm、200条/mm。标尺光栅与指示光栅相距0.05～0.1mm间隙。其线纹相互偏斜一个很小的角度θ。两光栅线纹相交，在相交处出现黑色条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹的方向与光栅线纹方向大致垂直。两条莫尔条纹间的距离称为纹距W，则有近似公式W＝ω／θ，当工作台正向或反向移动一个栅距ω时，莫尔条纹向上或向下移动一个纹距W，如图8-24所示。莫尔条纹经窄缝和透镜由光电元件接收，从而产生电信号。

3.光栅莫尔条纹的特点

1）起放大作用。因为角度θ非常小，因此莫尔条纹的纹距W要比栅距大得多。例如k＝100条/mm，则ω＝0.01mm，但如果调整角为0.001rad，则W＝0.01mm/0.001＝10mm。这样，虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。

2）莫尔条纹的移动与栅距成比例。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿着垂直于光栅运动的方向移动，并且光栅每移动一个栅距ω，莫尔条纹就准确地移动一个纹距W。只要测量出莫尔条纹的数目，就可以知道光栅移动了多少个栅距，而栅距是制造光栅时已确定的，因此工作台的移动距离就可以计算出来。例如：某光栅k＝100条/mm，测得由莫尔条纹产生的脉冲1000个，则安装有该光栅的工作台移动了0.01mm×1000＝10mm。

另外，从图8-24中可以发现，当标尺光栅随工作台运动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也有规律地改变。标尺光栅右移时，莫尔条纹向上移动；标尺光栅左移时，莫尔条纹向下移动。

由此可见，为了判断光栅的移动方向，必须沿着莫尔条纹移动的方向安装两组距离相差W/4的光电元件A和B，使莫尔条纹经光电元件转换成的脉冲信号相位差90°，由相位的超前和滞后来判断光栅的移动方向。光电元件A、A和B、B为差动输出，使其抗干扰能力增强。与光电脉冲编码器相同，增量式光栅尺也设有零标志脉冲。它可以设置在光栅尺的中点，也可以设置一个或多个零标志脉冲。光栅测量系统中的光电元件安排如图8-25所示。

图8-24 光栅的工作原理

图8-25 光栅测量系统中的光电元件安排