光栅与编码器介绍

  方位检测设备作为数字操控机床的重要组成部分，其效果便是检测位移量，并宣布反应信号与数控设备宣布的指令信号相比较，若有差错，经扩大后操控履行部件使其向着消除差错的方向运动，直至差错等于零停止。为了更好的进步数字操控机床的加工精度，有必要进步检测元件和检测体系的精度。其间以编码器，

  将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器材等组合在一起构成的光栅传感器一般称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便改变一个周期，它是通过对信号改变周期的丈量来测出动就与定上任相对位移。现在运用的光栅尺的输出信号一般有两种方式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位顺次相差90度的4路正弦信号。这些信号的空间方位周期为W。下面针对输出方波信号的光栅尺进行了评论，而关于输出正弦波信号的光栅尺，通过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有A相、B相和Z相三个电信号，A信任号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可当作较准信号以消除累积差错。

  从上个世纪50时代到70时代栅式丈量体系从感应同步器开展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种丈量体系都是将一个栅距周期内的肯定式丈量和周期外的增量式丈量结合了起来，丈量单位不是像激光相同的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优势，彼此弥补，在竞赛中都得到了开展。因为光栅丈量体系的归纳技能功能优于其他4种，并且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因而光栅开展得最快，技能功能最高，市场占有率最高，工业最大。光栅在栅式丈量体系中的占有率已超越80%，光栅长度丈量体系的分辨力已掩盖微米级、亚微米级和纳米级，丈量速度从60m/min，到480m/min。丈量长度从1m、3m到达30m和100m。

  计量光栅技能的根底是莫尔条纹（Moire fringes），1874年由英国物理学家L.Rayleigh首要提出这种图画的工程价值，直到20世纪50时代人们才开端使用光栅的莫尔条纹进行精细丈量。1950年德国Heidenhain创始DIADUR仿制工艺，也便是在玻璃基板上蒸腾镀铬的光刻仿制工艺，这才干制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才干为用户所承受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4信任号体系，能够在一个莫尔条纹周期完成4倍频细分，并能辨别移动方向，这便是4倍频鉴相技能，是光栅丈量体系的根底，并一向大范围的使用至今。

  德国Heidenhain公司1961年开端开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4μm（250线线/转的圆光栅丈量体系，能完成1微米和1角秒的丈量分辨力。1966年制造出了栅距为20μm（50线/mm）的封闭式直线时代又推出AURODUR工艺，是在钢基资料上制造高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参阅符号（零位）的根底上增加了间隔编码。在1987年又提出一种新的干与原理，选用衍射光栅完成纳米级的丈量，并答应较宽松的装置。1997年推出用于肯定编码器的EnDat双向串行快速接连接口，使肯定编码器和增量编码器相同很便利的使用于丈量体系。现在光栅丈量体系已非常完善，使用的范畴很广泛，全世界光栅直线万件左右，其间封闭式光栅尺约占85%，敞开式光栅尺约占15%。

  光栅依据构成莫尔条纹的原理不同分为几许光栅（幅值光栅）和衍射光栅（相位光栅），又可依据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。光米级和亚微米级的光栅丈量是选用几许光栅，光栅栅距为100μm至20μm远于光源光波波长，衍射现象可疏忽，当两块光栅相对移动时发生低频拍现象构成莫尔条纹，其丈量原理称印象原理。纳米级的光栅丈量是选用衍射光栅，光栅栅距是8μm或4μm，栅线的宽度与光的波长很挨近，则发生衍射和干与现象构成莫尔条纹，其丈量原理称干与原理。现以Heidenhain产品选用的3种丈量原理介绍如下。

  选用笔直入射光学体系均为4信任号体系，是将指示光栅（扫描掩膜）开四个窗口分为4相，每相栅线顺次错位四分之一栅距，在接纳的4个光电元件上可得到抱负的4信任号，这称为具有四场扫描的印象丈量原理。Heidenhain的LS系列新产品均选用此原理，其栅距为20μm，丈量步距为0.5μm，准确度为±10、±5、±3μm三种，最大丈量长度3m，载体为玻璃。

  反射标尺光栅是选用40μm栅距的钢带，指示光栅（扫描掩膜）用二个彼此交织并有不同衍射功能的相位光栅组成，这样一来，一个扫描场就能够发生相移为四分之一栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的镜像丈量原理。因为只用一个扫描场，标尺光栅部分的污染使光场强度的改变是均匀的，并对四个光电接纳元件的影响是相同的，因而不可能影响光栅信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺光栅的空隙和空隙公役能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金属反射光栅便是选用这一原理。LIDA系列开式光栅其栅距为40μm和20μm，丈量步距0.1μm，准确度有±5μm、±3μm，丈量长度可达30m，最大速度480m/min。LB系列闭式光栅栅距都是40μm，最大速度可达120m/min。