一、任務引入

 

數控裝置與光柵尺的聯接原理圖如圖1所示，根據圖1進行連接，并用數字示波器觀察光柵尺的波形。

 圖1   數控裝置與光柵尺的聯接

 

二、任務分析

 

從圖1中可看到光柵尺與數控裝置的XS32接口相連，將檢測的信號反饋給數控系統，對機床的移動（轉動）進行控制。什么是光柵？光柵是怎樣工作的？有哪些位置檢測裝置？怎樣檢測數控系統中的位置測量裝置的誤差？下面我們就對這些問題進行講解。

 

三、相關知識

 

1．光柵尺測量系統

 

光柵尺測量系統如圖2所示，它由光源1、透鏡2、標尺光柵3、指示光柵4、光敏元件5和信號處理電路組成。信號處理電路又具有放大、整形和鑒向倍頻功能。

 

通常情況下，除標尺光柵與工作臺裝在一起隨工作臺移動外，光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和信號處理電路均裝在一個殼體內，做成一個單獨部件固定在機床上。這個部件稱為光柵讀頭，其作用是將莫爾條紋的信號轉換成所需的電脈沖信號。當標尺光柵隨工作臺一起移動時，光源通過聚光鏡后，透過標尺光柵和指示光柵形成忽明忽暗的莫爾條紋(光信號)；光敏元件把光信號轉換成電信號，然后通過信號處理電路的放大、整形、鑒相倍頻后輸出或顯示。為了測量轉向，至少要放置兩個光敏元件，兩者相距1／4莫爾條紋節距，這樣當莫爾條紋移動時，會得到兩路信號相位相差π／2的波形；將輸出信號送入鑒向電路，即可判斷移動方向。

 

圖2  光柵尺測量系統

 

l一光源；2一透鏡；3一標尺光柵；4一指示光柵；5一光敏元件

 

為了提高光柵的分辨率，通常還用4倍頻的方法細分。所謂4倍頻細分，就是將莫爾條紋原來的每個脈沖信號，變為在O、π／2、π、3π／2時都有脈沖輸出，從而使精度提高了4倍。若光柵柵距0.Olmm，則工作臺每移動0.0025mm，系統就會送出一個脈沖，即分辨率為0.0025mm。由此可見，光柵尺測量系統的分辨率不僅取決于光柵尺的柵距，而且取決于鑒相倍頻的倍數n，即:

 

分辨率=柵距/n

 

2．光柵

 

計量光柵是用于數控機床的精密檢測元件，是閉環系統中一種用得較多的測量裝置，用作位移或轉角的測量，測量精度可達幾微米。

 

(1)光柵的種類與精度

 

在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱反射光柵，也可以把線紋做成具有一定衍射角度的定向光柵。

 

計量光柵分為長光柵(測量直線位移)和圓光柵(測量角位移)，而每一種又根據其用途和材質的不同分為多種。

 

1)直線光柵(即長光柵)   

 

①玻璃透射光柵。它是在玻璃表面感光材料的涂層上或者在金屬鍍膜上制成的光柵線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂黑工藝制成的。光柵的幾何尺寸主要根據光柵線紋的長度和安裝情況具體確定，如圖3所示。

 

玻璃透射光柵的特點是：光源可以采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數頭結構簡單；每毫米上的線紋數多，一般常用的黑白光柵可做到每毫米100條線，再經過電路細分，可做到微米級的分辨率。

 

 

圖3  透射光柵

 

②金屬反射光柵。是在鋼尺或不銹鋼帶的鏡面上用照相腐蝕工藝制作或用鉆石刀直接刻畫制作光柵條紋。

 

金屬反射光柵的特點是：標尺光柵的線膨脹系數很容易做到與機床材料一致；標尺光柵的安裝和調整比較方便；安裝面積較小；易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；不易碰碎。目前常用的每毫米線紋數為4、10、25、40、50。

 

2)圓光柵

 

圓光柵是在玻璃圓盤的外環端面上，做成黑白間隔條紋，根據不同的使用要求在圓周上的線紋數也不相同。圓光柵一般有3種形式。

 

①六十進制，如10800、21600、32400、64800等；

 

②十進制，如1000、2500、5000等；

 

③二進制，如512、1024、2048等。

 

圓光柵的結構如圖4所示。

 

 

 

圖4  圓光柵

 

 3)計量光柵的精度

 

光柵檢測系統的精度主要取決于光柵尺本體的制造精度，也就是計量光柵任意兩點間的誤差，即累積誤差。由于使用了莫爾條紋技術，因此，相鄰誤差得以適當的被修正，但對累積誤差無多大改善。

 

由于激光技術的發展，光柵制作精度可以提高，目前光柵精度可以達到微米級，再通過細分電路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。幾種常用光柵的精度數據見表1。

 

表1    各種光柵的精度

 

計量光柵		光柵長度	線紋數	精  度
	玻璃透射光柵	500	100/mm	5μm
	玻璃透射光柵	1000	LOO/mm	lOμm
直線式	金屬反射光柵	500	25/mm	7μm
	金屬反射光柵	1220	40/mm	13μm
	高精度反射光柵	1000	50/mm	7.5μm
	玻璃衍射光柵	300	250/mm	1.5μm
回轉式	玻璃圓光柵	Φ270	10800/周	3″

(2)透射直線式和莫爾條紋式光柵

圖5    光柵位置檢測裝置

光柵位置檢測裝置由光源，長光柵（標尺光柵），短光柵（指示光柵）和光電元件等組成，如圖5所示。 根據光柵的工作原理分為透射直線式和莫爾條紋式光柵兩類。

 

1)透射直線式光柵

 

透射直線式光柵的結構如圖6所示，它是用光電元件把兩塊光柵移動時產生的明暗變化轉變為電流變化的方式。長光柵裝在機床移動部件上，稱為標尺光柵；短光柵裝在機床固定部件上，稱為指示光柵。標尺光柵和指示光柵均由窄矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成。當標尺光柵相對線紋垂直移動時，光源通過標尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上，若指示光柵的線紋與標尺光柵透明間隔完全重合，光電元件接受到的光通量最小。若指示光柵的線紋與標尺光柵的線紋完全重合，光電元件接受到的光通量最大。因此，標尺光柵移動過程中，光電元件接受到的光通量忽大忽小，產生了近似正弦波的電流。再用電子線路轉變為數字以顯示位移量。為了辨別運動方向，指示光柵的線紋錯開1/4柵距，并通過鑒向線路進行辨別。

 

由于這種光柵只能透過透明間隔，所以光強度較弱，脈沖信號不強，往往在光柵線較粗的場合使用。

圖6    透射直線式光柵原理圖

 

圖7  莫爾條紋式光柵

 

2)莫爾條紋式光柵

 

用得較普遍的是莫爾條紋式光柵，是將柵距相同的標尺光柵與指示光柵互相平行的疊放并保持一定的間隙（0.1㎜），然后將指示光柵在自身平面內轉過一個很小的角度θ，那么兩塊光柵尺上的刻線交叉，在光源的照射下，相交點附近的小區域內黑線重疊，透明區域變大，擋光面積最小，擋光效應最弱，透光的累積使這個區域出現亮帶。相反，距相交點越遠的區域，兩光柵不透明黑線的重疊部分越少，黑線占據的空間增大，因而擋光面積增大，擋光效應增強，只有較少的光線透過光柵而使這個區域出現暗帶。如圖7所示，此明暗相間條紋稱之為莫爾條紋，其光強度分布近似于正弦波形。如果將指示光柵沿標尺光柵長度方向平行的移動，則可看到莫爾條紋也跟著移動，但移動方向與指示光柵移動方向垂直。當指示光柵移動一條刻線時，莫爾條紋也正好移過一個條紋。

 

四、任務實施

 

1.光柵尺與數控裝置的連接

 

(1)根據圖1將數控系統與光柵尺進行連接，此時光柵尺位置反饋信號只是用來顯示坐標軸的實際位置，并沒有用來作為位置的閉環控制。仔細檢查接線，保證接線正確。

 

(2)設置數控系統的交流伺服軸參數。

 

(3)設置交流伺服單元的參數，使之工作在位置控制方式下。