光栅尺

几类典型光栅尺的性价比分析和使用要求简介摘要：本文介绍了光栅尺的基本原理和分类。并列举了实际生产中的几种典型光栅尺，介绍了其技术参数、安装步骤和使用方法，通过比较，得出性价比分析。关键词：光栅尺；技术参数；摩尔纹Abstract:Thispaperintroducesthebasicprincipleofgratingrulerandclassification.Andenumeratesseveraltypicallightinactualproduction.Gratingruler,introducesthetechnicalparameters,theinstallationstepsandmethodofuse,bycomparison,itisconcludedthatratioofanalysis.Keyword:gratingruler；technicalparameters；Mooregrain1.光栅尺简介光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。1.2光栅尺工作原理光栅尺是通过莫尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器.GBC系列光栅尺是由读数头、主尺和接口组成。玻璃光栅上均匀地刻有透光和小透光的线条，栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，采用四细分后便可得到分辩率为5μm的计数脉冲。一般的情况下，线条数按所测精度刻制，为了判别出运动方向，线条被刻成相位上相差90°的两路。当读数头运动时，接口电路的光电接收器分别产生A相和B相两路相位相差90°的脉冲波，输出信号再经过数显系统细分处理,分辨率是光栅周期除以信号细分数,经过电子信号细分处理分辨率可为5um或1um。1.2.1莫尔条纹以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上形成明暗相间的条纹，这种条纹称为“莫尔条纹”。严格地说莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直，莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。莫尔条纹W=ω/2*sin（θ/2）=ω/θ。1.2.2莫尔条纹具特征：(1)莫尔条纹的变化规律两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。(2)放大作用在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度ω和光栅栅距W、栅线角θ之间有下列关系，式中，θ的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sinθ很小，则W=ω/θ若ω＝0．01mm，θ＝0.01rad，则上式可得W＝1，即光栅放大了100倍。2.光栅尺分类光栅尺按结构分宽尺和窄尺两种。窄尺最长可做1米，宽尺30米内任选。另外可分为敞开式和封闭式两类。其中敞开式光栅尺为高精度型，输出波型为正弦波，主要用于精密仪器的数字化改造最高分辨率可达0.1um。封闭式光栅尺则主要用于普通机床、仪器的数字化改造，输出波型为方波。直线光栅尺分为增量式和绝对式（1）增量式光栅尺的测量原理是将光通过两个相对运动的光栅调制成摩尔条纹，通过对摩尔条纹进行计数、细分后得到位移变化量，并通过在标尺光栅上设定一个或是多个参考点来确定绝对位置;（2）绝对式光栅尺的测量原理是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道，读数头通过读取当前位置的编码可以得到绝对位置。绝对式光栅尺的优点是开电后直接得到当前位置信息，无需“归零”操作，简化控制系统设计;绝对位置计算在读数头中完成，无需后续细分电路;采用双向串行通信技术，通信可靠。因此，绝对式光栅尺在数控行业得到越来越广泛的2.1光栅尺主要应用（1）各类测量机构、仪器的位移测量：弹簧试验机、三坐标机、投影仪（2）各类机床的数显系统：车床、铣床、磨床、镗床、电火花、钻床等（3）各类数控机床的配套使用：数控铣、加工中心、数控磨等（4）配接PLC,用于各类自动化机构的位移测量3.典型光栅尺举例3.1GBC-Q系列光栅尺简介图一光栅尺（左侧：窄尺，右侧：宽尺）该光栅尺是先进的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。光栅传感器采用密封式结构，性能可靠，安装方便。采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水，防尘优异，使用寿命长。具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。光源采用进口红外发光二极管，体积小寿命长。采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺。3.1.2GBC-Q系列光栅尺传感器准确度光栅尺传感器准确度单位：mm长度划分级别200±0.001±0.002±0.003200-500±0.002±0.004±0.008500-1000±0.004±0.008±0.0151000-1500±0.012±0.025±0.0501500-2000±0.025±0.050±0.0802000-3500±0.050±0.080±0.1203.1.3GBC-Q系列光栅尺重复性重复性单位：mm分辨率0.010.0050.0020.001重复性0.010.0050.0020.0013.1.4价格GBC-Q系列光栅尺一般在500元左右。3.2D-KA-300光栅尺图二D-KA-300光栅尺3.2.1D-KA-300相关参数●测量范围：50mm～30000mm●测量准确度：±6um/m～±10um/m●测量基准：光栅周期20µm的光学玻璃尺●光学测量系统：透射式红外线光测量系统，红外线波长880nm●反应速度：60m/min(0.005mm)25m/min(0.001mm)●读数头滑动系统：垂直式五轴承●输出讯号：TTL/EIA-422-A●讯号传达周期：20um●供应电压：DC5V±5%3.2.2D-KA-300光栅尺价格400元/条3.3D30光栅尺图三D30光栅尺3.3.1D30光栅尺特点D30光栅测微传感器型光栅测微传感器采用50线/mm或100线/mm的玻璃光栅，输出两路相位差90°的正弦波信号或正交方波信号，供电电压为+5V/+12V/+24V。本传感器的特点是测量范围大、精度高、使用方便，可配接光栅数显表光栅计数卡或光栅数据转接器使用。3.3.2D30光栅尺技术参数●测量范围：0-15mm、0-30mm、0-50mm●最大移动速度：300mm/S●测量力：2.5N●工作温度：10°C-40°C●存储温度：0°C-55°C●标准配置电缆长度：2米●两路正弦波信号A、B参数如下：中心电平：6V（+12V供电）/2.5V（+5V供电）幅值：6V（+12V供电）/2.6V（+5V供电）相差：90°±10%两路正交方波输出：占空比1∶1（±10%）11.8V（+12V供电）/TTL电平（+5V供电）3.3.3D30光栅尺价格450元/根3.4RGH22开放式光栅尺图四RGH22开放式光栅尺3.4.1RGH22开放式光栅尺技术参数●测量：20um节距增量测量信号，每50mm一个参考零点信号●精度（补偿）：小于±5um/m●分辨率：可达0.1um●信号：1vpp和TTL●最大移动速度：8m/s●标准配置电缆长度：100米●最大频率：1vpp信号400Khz/TTL1MHz●测量范围：70mm-25m3.4.2价格5000元/根4.光栅尺一般安装方法光栅尺位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。（1）光栅尺位移传感器安装基面安装光栅尺位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：(1)应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基座长出光栅尺50mm左右）。(2)该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。（2）光栅尺位移传感器主尺安装将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑；在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）；不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。（3）光栅尺位移传感器读数头的安装在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。（4）光栅尺位移传感器限位装置光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。（5）光栅尺位移传感器检查光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。5.总结通过对光栅尺典型类型的列举，以及技术参数列举，可以得知（1）光栅尺一般用于高精度测量（2）分辨率越高价格越高；保证精度的前提下量程越大价格越高（3）安装方法类似，根据封闭式、敞开式、微型等不同特点作细节调整。（4）在选型上，要根据所用量程和精度合理选择【参考文献】[1]祝绍箕，等.衍射光栅[M].北京:北京机械工业出版社，1986.[2]司聚朝，段露彬.光栅尺在数控机床中的应用[J].设备管理与维修，2012:40-41.[3]周常河.新型微结构光栅的基础研究[J].中国基础科学研究进展，2004,(1):30-32.