光栅测量系统的工作原理

发布日期：2011-11-25    兰生客服中心    浏览：5929


        德国HEIDENHAIN公司是全世界著名的光栅生产厂家，其技术、品种、产量和市场占有率都居世界领先水平， 目前绝大多数全闭环结构的数控机床上均配套该公司的产品，因此在数控机床维修过程中经常会遇到此类故障。为了便于读者参考，现将该公司产品的构成和原理简介如下。


       HEIDENHAIN公司生产的光栅位置检测系统，由光栅尺和前置放大器EXE(进行脉冲放大整形及细分)两大部分构成。光栅尺检测机床的实际位移，并输出与位移量和位移方向有关的两路信号到前置放大器EXE进行放大、整形和电子细分，最后经长线驱动后输出到CNC，形成全闭环控制系统。 



        图6-4为光栅的检测原理，光栅上刻有等间隔排列又能透过光线的细小的狭缝，如果把这样两个光栅一个固定于机床床身(称为标尺光栅)，一个可以随工作台运动(称为指示光栅)，并使两者相互错开一个角度θ叠合在一起，在“标尺光栅”与“指示光栅”的细小狭缝相交区域，透射光可以全部通过，便形成“亮区”；而在非相交部分，由于透射光被遮挡而形成“暗区”。这样，在光栅的垂直方向上就可以形成明暗相间的条纹，这种条纹被人们称为“莫尔条纹”。

图6-4  光栅原理图


图6-4  光栅原理图

        当“指示光栅”相对“标尺光栅”做水平运动时，莫尔条纹将上下运动，且光栅移动一个光栅节距ρ时，条纹将移动相应的距离d，且θ角越小，条纹的间距就越大。这样，就为位置检测提供了一种可方便检测的条纹。 

        HEIDNHAIN公司生产的指示光栅通常由5个短光栅构成，其排列如图6-4a所示，与此对应，在信号检测回路中使用了三相共6个光电池，如图6-4b。通过光电池把莫尔条纹的明、暗变化，转换成电流信号输出。在空间位置上，指示光栅G1和G2相差1/2栅距，使得光电池S1处于“亮区”时，S2正好在“暗区”。这样当莫尔条纹移动时，这组光电池就可输出一个如图6-5所示的按正弦规律变化的电流信号ie1。同理，指示光栅G3和G4也相差1/2栅距，对应的光电池S3和S4将形成正弦电流信号ie1。而且，指示光栅G1、G2和G3、G4之间相差1/4栅距，这样在电流信号ie1和ie2之间形成了90º的相位差，它是数控系统识别坐标运转方向的依据。 

        指示光栅G5用于读取参考点标记信号，相对应的光电池S5和S6将其转换为参考点标记的电流信号输出。数控机床的回参考点过程，实质上就是在规定的坐标区内寻找参考点信号的过程。当“指示光栅”移动到“标尺光栅”上的参考点时，S5和S6上就会产生参考标记信号ie1。图6-5为ie0、ie1、ie2之间的关系图。

         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，另一方面与光栅尺所用的材料有关。目前，光栅尺的基板多用玻璃、钢带或玻璃陶瓷等材料制造，HEIDENHAEN公司通过特殊的制造工艺，可以控制这些材料的热膨胀系数，将玻璃光栅尺的膨胀系数做到和钢一样，从而补偿了机床的热变形。 

         在刻线方面，HEIDENHAEN公司于1950年首创了镀铬、光刻复制(DIADUR)工艺，通过在基板上沉淀一层薄的铬层，然后通过激光刻线，提高了精度。这种工艺还可以用复制的方法，制造出与母板精度完全一样的光栅，大大降低了生产成本。

图6-5  ie0、ie1、ie2之间的关系图
光栅的前置放大器EXE的功能是将光栅尺输出的三路微弱正弦信号ie0、ie1、ie2进行放大、整形、细分、驱动，形成标准TTL(或HTL)电平信号输出。 

        HEIENHAEN公司生产的EXE有很多种，但它们的基本原理相同。整个EXE中的电路可分为基本电路(图6-6)和细分电路(图6-7)两大部分。 

        基本电路内含通道放大器CH0-CH2、整形电路COM0-COM2、驱动和报警电路等，制成一块印制电路板；细分电路作为一种可选功能单独制成一块电路板。两板之间通过连接器J3连接。
        若光栅尺本身的分辨率能够满足检测精度要求，就不必选择细分功能。此时只要将连接器J3脱开，把基本电路板上的DIP3-4和DIP5-6置于ON，DIP7-8置于OFF即可。如设备对检测精度要求较高时，就必须选择细分电路。HEIDENHAIN公司提供了细分5倍(对应EXE/601/602/604)和细分10倍(对应EXE/610)两种电路，可将检测分辨率相应提高5倍或10倍，以满足不同精度机床的需要。

图6-6  EXE的基本电路


图6-6  EXE的基本电路

        报警电路随时检测ie1、ie2两路信号，当输入回路出现故障，导致通道放大器输出消失时，报警电路立即动作，经驱动后，由J2连接器送至外部。 

        基本电路的工作原理如下：从光栅尺输出的两路相位互差90º的电流信号ie1、ie2经J1连接器输入EXE，通过放大、整形、细分驱动后，输出相位差90º的两路方波信号Ual和Ua2。ie0是参考点信号，同样经放大、整形后送到逻辑门电路与细分电路的有关信号组合，形成一个与乩Ual、Ua2两路方波信号前后沿精确对应、脉宽为90º的方波参考脉冲Ua0。 

         通道放大器CH0~CH2完全相同，由TCA520B运算放大器组成，L11、L12和C11、C12是滤波网络，用于提高抗干扰能力；C11和C12兼差动输入分压电容；R11和C13是负反馈网络。R21、R22、C2为基准2.5V电压环节，通过电阻R21和R22分压，产生2.5V基准电压，送至各运算放大器的同相输入端，以满足运算放大器在单电源工作下的偏置要求。这样，在无输入信号时，各运算放大器的输出均为2.5V。 

         在使用光电池作为光敏元件的所有HEIDENHAIN测量系统中，其光栅部分均输出正弦波电流信号(见图6-5)，其幅值在7µA和14µA之间，经放大后，输出幅值在0.9V至1.8V之间，且该信号在2.5V的基准电平上变化。    

        整形电路COM0~COM2由—LM339集成3电压比较器构成。2．5V基准电压作为“门坎电平”送至各比较器的同相输入端，通道放大器的输出为各比较器的反相输入。在通道放大器输出信号UCH的正半波，比较器的负端输入大于正端输入，输出为高电平；反之在UCH的负半波，比较器输出零电平。这样，输入的三路正弦信号ie0、ie1、ie2就转换成了与之对应的三路方波信号Ucom0~Ucom2。

        报警电路由LM339中的另一个比较器U4及电阻R41~R49和二极管VDI~VD8构成。二极管VD5~VD8组成桥式整流电路，其输入即为报警电路的检测信号。电路采用了差动输入方式，抵消了运算放大器静态偏移的影响，保证只对有效的交流信号敏感。 

        当由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损坏等原因，造成通道放大器信号Ucul和UrH：为零时，比较器输出低电平的报警信号：当光栅尺正常工作时，比较器输出为高电平信号。

        报警信号经长线驱动器75114驱动后，由J2连接器输出。 

        在图6-6中，使用了一只74LS08四与门(U3)，获得了与Ual和Ua2两路方波信号前、后沿精确对应，脉宽为90‘的方波参考点脉冲。 

        图6-7所示的细分电路用于某些高精度的机床中(如：数控磨床等)，当机床要求测量系统有较高的分辨率时，由于光栅上的每毫米刻线数量受制造工艺的限制，难以提高，为此必须通过细分电路来提高测量分辨率。HEIDENHAIN生产

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的EXE细分电路，最高可以做到400细分，这对减少光栅尺上的刻线数、降低生产成本非常有利。
        如前所述，当两个光栅尺相对移过一个节距时，在光电池上将形成一个360º电角度的完整周期：若光栅尺相对移过1/n个节距时，对应输出信号的相角为360º/n。也就是说，光电池输出信号的相角反应了栅尺的相对位移。HEIDENHAIN公司采用了RUSSELL插值法，在一个光栅节距所对应的周期中，可以均匀地插入5个点(EXE601/602/604)或10个点(EXE610)，将分辨率相应提高5倍或10倍。
以细分5倍电路为例，其工作原理如下：
        细分电路的原理如图6-7所示，C1~C8是由LM339电压比较器组成的8个整形电路们具有完全相同的形式。
       对C1~C4比较器，反向输入端Ua是来自通道放大器CHl的输出UCHl：Ub是来自通道放大器CH2的输出UCH2；两个信号在相位上互差90º。
设：Ua=UCHl=Um sinωt，
则：Ub=UCH2=Umsin(ωt－90º)
根据电路定律，电压比较器的反向输入端的输入电压为              

将Ua和Ub代入，并整理后得到：                 

                          Ø=arc  

在比较器C1中，Rl=18.2kΩ，R2=56.2kΩ

则：U1=0.79Umsin(ωt－18º)

同理可计算出比较器C2~C4的反向输入端的输入电压U2~U4如下：

U2=0.71Umsin(ωt－36º)   

U3=0.71Umsin(ωt－54º)

U4=0.79Umsin(ωt－72º) 

         对C5~C8比较器，反向输入端的输入电压是来自运算放大器TCA520B的输出：因TCA520B为1：1的反相器，通道放大器CHl的输出信号UCH1，经反相后，送到C5~C8比较器的反向输入端。所以C5~C8的反向输入端的两输入电压分别为：

U1=－UCHl=Umsin(－ωt)；

U2=Umsin(ωt－90º)

         同理可得，C5~C8比较器输入端的电压为：

U5=－0.79Umsin(ωt+18º)   

U6=－0.71Umsin(ωt+36º)

U7=－0.71Umsin(ωt+54º)    
U8=－0.79Umsin(ωt+72º)

        从以上几个表达式可看出，各比较器的输入信号仍是正弦波，但它们的初相位相对通道放大器CHl的输出UCH1：依次后移了表达式中的对应的电角度。

        U1~U8经整形后，输出方波信号Uc1~Uc8。同样，这些方波的初相位亦较通道1输出的整形方波Ucom1依次后移了对应的电角度。方波信号Uc1~Uc8经两只74LS86异或门适当组合之后，在J3连接器的8脚和9脚即可得到细分5倍后的波形，且U8和U9在相位上也满足互差90º的要求。这两路方波脉冲经长线驱动器75114驱动后，即为对应的Ual和Ua2通道信号，由J2连接器输出。

        数控机床上使用的光栅尺由定尺(标尺光栅)和读数头(指示光栅)组成，当数控机床的工作刀台移动时，造成其定尺和扫描头之间出现相对运动、利用光的莫尔效应，将位置移动转变成亮暗相间的光的“莫尔条纹”的移动，再由光电转换成数字量的信号。

        定尺的测长方向上有两组主光栅线和每隔50mm的参考点标记光栅线。光栅尺的作用有两个方面：当坐标轴移动时，由主光栅线产生两组相位差为90º的正弦和余弦的信号，用于判别坐标轴的移动方向和位移量；当坐标轴执行回零点操作时，由参考点标记光栅线产生一个基准信号以确定机床的参考点。

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