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    海德汉封闭式直线光栅尺测量原理

    2017-11-22 14:46:11
    海德汉直线光栅尺几乎适用于数控机床的任何应用,是所有进给轴为伺服控制环模式的极其或设备的优质选择,例如铣床、加工中心、镗床、车床及磨床等。直线光栅尺的动态性能优点,允许的运动速度高,沿测量方向的加速性能使其不仅能够满足常规轴高动态性能要求,也能满足直接驱动电机的高动态性能要求。下面,给大家介绍下海德汉封闭式直线光栅尺的相关知识及测量原理。
     
    海德汉的光学扫描光栅尺或编码器的测量基准都是周期刻线—光栅。光栅刻在玻璃或钢材基体上,大长度测量用的光栅尺带的基体为钢带。
     
    海德汉用特别开发的光刻工艺制造精密光栅,例如:
    AURODUR:在镀金钢带上蚀刻线条,典型栅距40 µm
    METALLUR:抗污染的镀金层金属线,典型栅距20 µm
    DIADUR:玻璃基体的超硬铬线(典型栅距20 µm)或玻璃基体的三维铬线格栅(典型栅距8 µm);
    SUPRADUR相位光栅:光学三维平面格栅线条、超强抗污能力、典型栅距不超过8 µm
    OPTODUR相位光栅:光学三维平面格栅线条,超高反光性能,典型栅距不超过2 µm
    上述方法除了能刻制栅距非常小的光栅外,而且刻制的光栅线条边缘清晰、均匀。再加上光学扫描法,这些边缘清晰的刻线是输出高质量信号的关键。
     
    绝对测量法:是指编码器通电时就可立即得到位置值并随时供后续信号处理电子电路读取。无需移动轴执行参考点回零操作。绝对位置信息来自一系列绝对码构成的光栅刻线。单独的增量刻轨信号通过细分生成位置值,同时也能生成供选用的增量信号。
    增量测量法:增量测量法的光栅由周期性栅条组成。位置信息通过计算自某点开始的增量数(测量步距数)获得。由于必须用绝对参考点确定位置值,因此在光栅尺或光栅尺带上还刻有一个带参考点的轨道。参考点确定的光栅尺带的绝对位置值可以精确到一个信号周期。因此,必须通过扫描参考点建立绝对基准 点或确定上次选择的原点。
    *差情况时,机床需要移动测量范围上的较大部分。为加快和简化参考点回零操作,许多海德汉光栅尺刻有距离编码参 考点,这些参考点彼此相距数学算法确定 的距离。移过两个相邻参考点后(一般只 需运动数毫米)(见表),后续电子电路 就能找到绝对参考点位置。 凡是距离编码参考点编码器在型号后均带 有字母“C”(例如LS 487C)。
    光电扫描:海德汉大多数的光栅尺或编码器都用光电扫描原理。光电扫描测量基准是非接触 式扫描,因此无磨损。这种光电扫描方法 能检测到非常细的线条,通常不超过几微米宽,而且能生成信号周期很小的输出信号。 测量基准的栅距越小,光电扫描的衍射现象越严重。海德汉公司的直线光栅尺采用两种扫描原理:
    成像扫描原理用于20 µm至大约40 µm的栅距。
    干涉扫描原理用于更小栅距的光栅,例如8 µm
     
    1)成像扫描原理:是采用透射光生成信号(两个具有相同或相近栅距的光栅尺光栅)和扫描掩模彼此相对运动。扫描掩膜的基体是透明的,而作为测量基准的光栅可以是透明的也可以是反射的。当平行光穿过一个光栅时,在一定距离处形成明/暗区。扫描光栅就位于该位置。当两个光栅相对运动时,穿过光栅的光得到调制。 如果狭缝对齐,则光线穿过。如果一个光栅 的刻线与另一个光栅的狭缝对齐,光线无法 通过。光电池组将这些光强变化转化成电信号。特殊结构的扫描掩膜将光强调制为近正 弦输出信号。
    栅距越小,扫描掩膜和光栅尺带间的间距越小,公差越严。LCLSLB系列直线光栅尺采用成像扫描原理。
    2)干涉扫描原理:干涉扫描原理是利用精细光栅的衍射和干涉形成位移的测量信号。 阶梯状光栅用作测量基准:高度0.2 µm的 反光线刻在平反光面中。光栅尺带的前方是扫描掩膜,其栅距与光栅尺带的栅距相同,是透射相位光栅。光波照射到扫描掩膜时,光波被衍射为三束光强近似的光:-10+1。光栅尺带衍射的光波中,反射的衍射光中光强*强的光束为+1-1。这两束光在扫描掩膜的相位光栅处再次相遇,又一次被衍射和干涉。它也形成三束光,并以不同的角度离开扫描掩膜。光电池将这些交变的光强信号转化成电信号。
    扫描掩膜与光栅尺带的相对运动使*级 的衍射光产生相位移:当光栅移过一个栅距时,前一级的+1衍射光在正方向上移过 一个光波波长,-1衍射光在负方向上移过一个光波波长。由于这两个光波在离开扫 描光栅时将发生干涉,光波将彼此相对移动两个光波波长。也就是说,相对移动一个栅距可以得到两个信号周期。
    例如干涉光栅尺的栅距一般为8 µm4 µm甚至更小,其扫描信号基本没有高次谐波,能进行高倍频细分,因此,这些光栅尺特别适用于小测量步距和高精度应用。LF系列封闭式直线光栅尺采用干涉扫描原理。