3.5.1  光栅尺

3.5.1 光栅尺

1.外形与结构

光栅是利用光电效应来检测位置变化量的器件，其测量精度可达0.1μm甚至更高，它是高精度数控机床常用的位置、速度检测器件，可动态、连续地检测机械运动部件的实际位置与速度。根据通常的习惯，用于直线测量的光栅称光栅尺，而用于角位移测量的光栅则称光电编码器。

光栅尺的外形与结构如图3.5-1所示，它由光源、标尺光栅、指示光栅、光敏元件、透镜及放大电路等组成；标尺光栅的长度与测量范围相同；光源、指示光栅、光敏元件、透镜及放大电路等安装在读数头上。

图3.5-1 光栅的外形与结构

a）外形 b）结构

1—光源 2—透镜 3—标尺光栅 4—指示光栅 5—光敏元件 6—密封橡胶 7—读数头 8—放大电路

标尺光栅与指示光栅上均刻有密集的平行条纹（一般为50～200条/mm），条纹间的距离称为节距或栅距。标尺光栅与指示光栅的节距相同，光栅面相互平行，但条纹成一定的角度，以便生成后述的莫尔条纹。

光栅尺的光源一般为长寿命的白炽灯，光线经透镜后变为平行光束。光敏元件可以将光强转变成与之成比例的电压信号，这一信号经过放大电路放大后可以进行较长距离的传输。绝大多数光栅的光敏元件有图示的S₁～S₅五只，其中，S₁～S₄用来产生u_a、^*u_a、u_b、^*u_b四组计数信号，S₅用来产生零标记（零脉冲）。光敏元件通常按照u_a与^*u_a、u_b与^*u_b互为反信号；u_a与u_b、^*u_a与^*u_b互差1/4节距的方式布置；零标记的间隔距离一般为整数，如10mm、20mm、50mm等。

2.工作原理

由于光栅的条纹非常密集，如果仅依靠光直射所产生的光强进行位置检测，不但容易产生误差，而且光敏元件的布置亦将变得非常困难，因此，实际光栅需要利用莫尔条纹进行检测。

利用光学原理，如指示光栅与标尺光栅的条纹相差一个很小的角度θ，这样就会产生图3.5-2所示的明暗相间条纹，这一条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的方向与光栅刻线大致垂直；当标尺光栅左右移动时，莫尔条纹就沿垂直方向上下移动；光栅移动一个节距ω时，莫尔条纹就相应地移动一个节距W。

光学分析表明，当光栅夹角θ很小时，莫尔条纹的节距W与夹角θ、指示光栅节距ω有以下近似关系：

因此，利用莫尔条纹，可将指示光栅的节距与条纹宽度同时放大1/θ倍，也就是说当光栅节距为0.01mm时，如果夹角θ=0.01rad，便可将光栅的节距与条纹宽度同时放大100倍，莫尔条纹的节距为1mm；从而提高检测分辨率。

图3.5-2 莫尔条纹

莫尔条纹的另一个显著特点是具有平均效应，由于莫尔条纹是由很多条刻线同时生成，制造缺陷所引起的条纹间断、条纹宽度并不会对莫尔条纹带来多大的影响，因此，其位置测量精度要比光直射式检测要高得多。

3.信号处理

（1）前置放大

为了提高光栅尺的测量精度，一种方法是直接增加光栅条纹的密度；但是，如条纹密度超过200条/mm，其制造将为变得十分困难。因此，在实际光栅测量系统中，一般是需要通过与光栅尺配套的前置放大器，来进行信号的电子细分处理，提高光栅尺的测量精度。在部分光栅尺上，也可能将前置放大器直接安装于光栅读数头上，使得光栅尺的放大电路与细分电路集成为一体。

（2）方向检测

光栅尺的运动方向可通过检测u_a、u_b的相位确定，由于u_a、u_b的空间位置相差1/4节距，因此，其输出信号的相位差为90°；如果假设u_a超前u_b为正向运动，那么u_a滞后u_b就是为反向运动。

（3）速度检测

光栅尺在单位时间内的输出脉冲数，直接代表了光栅尺的移动速度。因此，机床直线运动部件的运动速度，可通过对输出脉冲的D-A转换等方式实现。

（4）位置确定

增量式光栅的输出信号是以节距为周期的增量式信号，输出的计数脉冲数量可以反映运动距离，但不能以此来确定运动部件的实际位置（绝对位置）。为此，光栅尺上需要每隔一定的距离增加一组零标记刻线，以便CNC等控制装置能够根据零脉冲的数量，来确定光栅移动的区间，从而计算出运动部件的绝对位置值。

4.信号输出

光栅尺的输出信号有图3.5-3所示的正余弦输出、线驱动差分信号输出、TTL电平输出3种；但在高精度位置检测的场合，目前也开始广泛使用串行数据输出，串行数据输出的形式与后述的编码器相同。

图3.5-3 光栅的输出信号

a）正余弦输出 b）线驱动输出 c）TTL输出

通过放大u_a、u_b，但未经细分处理的光栅尺输出信号一般为图3.5-3a所示的近似正余弦波，信号的周期为1个节距、幅值为1V_P-P左右。由于输出信号U_a、U_b的幅值随着光栅的移动而改变，因此，很容易通过A-D转换等方法，将其转换成为数字量或进行脉冲细分处理，且其细分倍率可做得很高。例如，如将节距为0.02mm的光栅尺信号进行1024细分，其检测精度便可达到0.02μm，足以满足数控机床的高精度位置测量要求。

经过放大、细分处理后的线驱动差分输出信号如图3.5-3b所示，它是一组6相并行输出脉冲信号。光栅尺的线驱动输出接口通常采用26LS31、MC3487或同规格的集成线驱动芯片，信号输出符合RS422接口标准规范，输出接口电路如图3.5-4a所示。

经过放大、细分处理后的TTL电平输出通常为图3.5-3c所示的3相脉冲信号，输出接口采用类似于图3.5-4b的“推拉电路”。

5.常用产品

光栅产品以德国HEIDENHAIN公司最著名，其产品规格齐全，技术水平、市场占有率均居世界首位；此外，日本SONY、西班牙FAGOR等公司的产品在国内也有一定的销量。以HEIDENHAIN产品为例，该公司的光栅在结构上分为密封式与敞开式两类，其测量分辨率可达0.005μm、最大测量长度可达30m。

图3.5-4 光栅的输出接口

a）线驱动输出 b）TTL输出

数控机床常用的HEIDENHAIN常用光栅产品的主要技术参数见表3.5-1，此外，该公司还有LIP300、LIP400、LIP500系列敞开式光栅，LS600系列手动机床测量用光栅等产品。

表3.5-1 HEIDENHAIN光栅主要技术参数表