光栅作为检测装置的历史长久,它可用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。在数控机床进给伺服系统中,光栅被用来检测直线位移、角位移和移动速度。用长光栅(或称直线光栅)来测量直线位移,用圆光栅来测量角位移。将激光测长技术用于刻制光栅,可以制造出精度很高的光栅尺,因而使光栅检测的分辨率与精度有了很大的提高,光栅检测的分辨率可达微米级,通过细分电路细分可达0.1μm,甚至更高的水平。

1.光栅检测装置的结构

光栅检测装置如图3-30所示,由光源1、透镜2、指示光栅3、光电元件4、驱动电路5以及标尺光栅6组成。前5个元器件安装在同一个支架上,构成光栅读数头,它固定在执行部件的固定零件上,标尺光栅则安装在执行部件的被测移动零件上。标尺光栅与指示光栅的尺面应相互平行,并保有0.05～0.1mm 的间隙。执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动,通过读数头的光电转换,发送出与位移量对应的数字脉冲信号,用作位置反馈信号或位置显示信号。

图3-30　光栅检测装置的结构

(1)光栅尺

光栅尺指的是标尺光栅和指示光栅。根据制造方法和光学原理的不同,光栅可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在经磨制的光学玻璃表面,或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。这种光栅的特点是:光源可以垂直入射,光电元件直接接受光照,因此信号幅值比较大,信噪比好,光电转换器(光栅读数头)的结构简单;同时光栅每毫米的线纹数多,如刻线密度为200线/mm 时,光栅本身就已经细分到0.005mm,从而减轻了电子线路的负担。其缺点是:玻璃易破裂,热膨胀系数与机床金属部件不一致,影响测量精度。反射光栅是用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成,金属反射光栅的特点是:光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致,增加光栅尺的长度很方便,可用钢带做成长达数米的长光栅。反射光栅安装在机床上所需的面积小,调整也很方便,适应于大位移测量的场所。其缺点是:为了使反射后的莫尔条纹反差较大,每毫米内线纹不宜过多,常用线纹数为4、10、25、40、50。

上述为直线光栅,此外还有测量角位移的圆光栅,圆光栅刻有辐射形的线纹,相互间的夹角相等。根据不同的使用要求,在圆周内线纹的数制也不相同,一般有二进制、十进制和六十进制等三种形式。如一种直径为φ270mm,360进制的圆光栅,一周内有刻线10 800条。

光栅线纹是光栅的光学结构,相邻两线纹间的距离称为栅距ω,可根据所需的测量分辨率来确定单位长度上的刻线数目称为线纹密度,常见的线纹密度为每毫米4、10、25、50、100、200、250线。国内机床上一般采用线纹密度为100线/mm、200线/mm 的玻璃透射光栅。玻璃透射光栅尺的长度一般为1～2m,测量长度在2m 以内。在位移长度大的重大型机床上只能采用不锈钢带做成的反射光栅。

(2)光栅读数头

光栅读数头与标尺光栅配合起光电转换作用,将位移量转换成脉冲信号输出。图3-31所示的由元器件1～5组成的读数头为垂直入射读数头。此外还有分光读数头、镜像读数头和反射读数头等。

图3-31　光栅尺横向莫尔条纹及其参数

2.莫尔条纹

指示光栅与标尺光栅的节距同为ω,两块光栅的刻线面平行放置,并将指示光栅在其自身平面内倾斜一个很小的角度θ,两块光栅的刻线将会相交,当光源照射时,在线纹相交钝角的平分线方向会出现明暗交替相间的间距相等的条纹,即莫尔条纹,如图3-31所示。原因是光的干涉效应,在交点a 线附近,两块光栅的刻线相互重叠,光栅上的透光狭缝互不遮挡,透光最强,形成亮带;在b 线附近,一块光栅不透光部分正好遮盖住另一光栅的透光隙缝,透光最差,形成暗带。相邻两条亮带或暗带之间的距离W 称为莫尔条纹的节距。图3-31所示为莫尔条纹节距W 与光栅节距ω 和倾角θ 之间的关系。

其中

因此(www.daowen.com)

由于θ 很小,θ 单位为rad时,

故

莫尔条纹有如下特点:

(1)放大作用　光栅节距虽小,莫尔条纹的节距却有几个毫米,因而莫尔条纹清晰可见,便于测量。

(2)误差均化作用　莫尔条纹是由许多根刻线共同形成的,这样可使栅距的节距误差得到平均化。

(3)测量位移作用　莫尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例,光栅横向移动一个节距,莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W,或者说在光栅刻线上的某一位置,如图3-31的a 线处,莫尔条纹明－暗－明变化一个周期,这为光电元件的安装与信号检测提供了良好的条件。此外,光栅的移动方向与莫尔条纹的移动方向也有固定的关系。如指示光栅相对于标尺光栅逆时针方向转一个小角度＋θ,当标尺光栅右(左)移时,则莫尔条纹下(上)移。相反,指示光栅顺时针方向转一小角度－θ,当标尺光栅右(左)移时,则莫尔条纹上(下)移。根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向。

3.光栅检测装置的信号处理

随着对测量精度要求的提高,减小光栅的栅距可以使光栅具有较高的分辨率,但毕竟是有限的。因此必须将莫尔条纹间距进行细分。所谓细分,就是在莫尔条纹信号变化的一个周期内,给出若干个计数脉冲,减小了脉冲当量。由于细分后,计数脉冲的频率提高了,故又称为倍频,从而提高了光栅的分辨能力,提高了测量精度。

利用光栅传感器测量位移原理如图3-32所示。透过莫尔条纹的光通量φ 的变化近似为正弦规律,如图3-32(b)所示。当标尺光栅1相对于指示光栅2沿x 方向移动时,莫尔条纹沿y 方向移动。如果沿y方向仅放置一个光电元件P1,则光栅尺每相对移过一个栅距W ,P1输出的光电信号就变化一个周期;如果沿y 方向在莫尔条纹宽度B 的范围内等间距地放置n 个光电元件P1、P2、…、Pn,则在光栅尺相对移动时,各光电元件将输出n 个相位差依次为360°/n 的光电信号。在将这n 个近似正弦波的光电信号整形成方波后,可利用其上升沿或下降沿发计数脉冲。于是光栅尺每相对移过一个栅距W ,就可获得n 个等间隔的计数脉冲,从而实现n 细分。这种利用多个传感元件对同一被测量同时采集多路相位不同的信号而实现的细分方法称多路信号采集细分。

图3-32　光栅测量线位移原理

如果取n ＝4,则每个光电元件所输出的信号分别为sinφ 、cosφ 、－sinφ 、－cosφ ,其中φ ＝2πx/W ,x 是光栅尺相对位移量。通过图3-33(a)所示的逻辑电路,就可实现对光栅信号的四细分与辨向。

在图3-33(a)中,差动放大器可在对信号放大的同时去掉其中的直流分量。整形电路可将正弦波转换成相位相同的矩形波,这些矩形波又通过微分电路变成尖脉冲,以作为计数脉冲,而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面与门的开门控制信号。各信号经过与门后分成两组分别送入两个或门,上面的或门在标尺光栅相对于指示光栅向左移动的每个周期内输出4个计数脉冲,下面的或门在光栅向右相对移动的每个周期内也输出4个计数脉冲。上述过程中信号的波形如图3-33(b)所示。通过对或门输出的脉冲进行加、减计数,便可获得相对位移量及位移方向。如果该系统中光栅栅距W ＝0.02mm,则经过四细分后,每个计数脉冲代表的位移量为W/4＝0.005mm,从而使检测分辨率提高4倍。

图3-33　光栅信号的四细分与辨向原理