光柵測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：6210


        德國(guó)HEIDENHAIN公司是全世界著名的光柵生產(chǎn)廠家，其技術(shù)、品種、產(chǎn)量和市場(chǎng)占有率都居世界領(lǐng)先水平， 目前絕大多數(shù)全閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床上均配套該公司的產(chǎn)品，因此在數(shù)控機(jī)床維修過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到此類(lèi)故障。為了便于讀者參考，現(xiàn)將該公司產(chǎn)品的構(gòu)成和原理簡(jiǎn)介如下。


       HEIDENHAIN公司生產(chǎn)的光柵位置檢測(cè)系統(tǒng)，由光柵尺和前置放大器EXE(進(jìn)行脈沖放大整形及細(xì)分)兩大部分構(gòu)成。光柵尺檢測(cè)機(jī)床的實(shí)際位移，并輸出與位移量和位移方向有關(guān)的兩路信號(hào)到前置放大器EXE進(jìn)行放大、整形和電子細(xì)分，最后經(jīng)長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)后輸出到CNC，形成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。 



        圖6-4為光柵的檢測(cè)原理，光柵上刻有等間隔排列又能透過(guò)光線(xiàn)的細(xì)小的狹縫，如果把這樣兩個(gè)光柵一個(gè)固定于機(jī)床床身(稱(chēng)為標(biāo)尺光柵)，一個(gè)可以隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)(稱(chēng)為指示光柵)，并使兩者相互錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度θ疊合在一起，在“標(biāo)尺光柵”與“指示光柵”的細(xì)小狹縫相交區(qū)域，透射光可以全部通過(guò)，便形成“亮區(qū)”；而在非相交部分，由于透射光被遮擋而形成“暗區(qū)”。這樣，在光柵的垂直方向上就可以形成明暗相間的條紋，這種條紋被人們稱(chēng)為“莫爾條紋”。

圖6-4  光柵原理圖


圖6-4  光柵原理圖

        當(dāng)“指示光柵”相對(duì)“標(biāo)尺光柵”做水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將上下運(yùn)動(dòng)，且光柵移動(dòng)一個(gè)光柵節(jié)距ρ時(shí)，條紋將移動(dòng)相應(yīng)的距離d，且θ角越小，條紋的間距就越大。這樣，就為位置檢測(cè)提供了一種可方便檢測(cè)的條紋。 

        HEIDNHAIN公司生產(chǎn)的指示光柵通常由5個(gè)短光柵構(gòu)成，其排列如圖6-4a所示，與此對(duì)應(yīng)，在信號(hào)檢測(cè)回路中使用了三相共6個(gè)光電池，如圖6-4b。通過(guò)光電池把莫爾條紋的明、暗變化，轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出。在空間位置上，指示光柵G1和G2相差1/2柵距，使得光電池S1處于“亮區(qū)”時(shí)，S2正好在“暗區(qū)”。這樣當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)，這組光電池就可輸出一個(gè)如圖6-5所示的按正弦規(guī)律變化的電流信號(hào)ie1。同理，指示光柵G3和G4也相差1/2柵距，對(duì)應(yīng)的光電池S3和S4將形成正弦電流信號(hào)ie1。而且，指示光柵G1、G2和G3、G4之間相差1/4柵距，這樣在電流信號(hào)ie1和ie2之間形成了90º的相位差，它是數(shù)控系統(tǒng)識(shí)別坐標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的依據(jù)。 

        指示光柵G5用于讀取參考點(diǎn)標(biāo)記信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的光電池S5和S6將其轉(zhuǎn)換為參考點(diǎn)標(biāo)記的電流信號(hào)輸出。數(shù)控機(jī)床的回參考點(diǎn)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上就是在規(guī)定的坐標(biāo)區(qū)內(nèi)尋找參考點(diǎn)信號(hào)的過(guò)程。當(dāng)“指示光柵”移動(dòng)到“標(biāo)尺光柵”上的參考點(diǎn)時(shí)，S5和S6上就會(huì)產(chǎn)生參考標(biāo)記信號(hào)ie1。圖6-5為ie0、ie1、ie2之間的關(guān)系圖。

         從上述工作原理可看出，光柵的精度決定了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度，它一方面取決于刻線(xiàn)精度，另一方面與光柵尺所用的材料有關(guān)。目前，光柵尺的基板多用玻璃、鋼帶或玻璃陶瓷等材料制造，HEIDENHAEN公司通過(guò)特殊的制造工藝，可以控制這些材料的熱膨脹系數(shù)，將玻璃光柵尺的膨脹系數(shù)做到和鋼一樣，從而補(bǔ)償了機(jī)床的熱變形。 

         在刻線(xiàn)方面，HEIDENHAEN公司于1950年首創(chuàng)了鍍鉻、光刻復(fù)制(DIADUR)工藝，通過(guò)在基板上沉淀一層薄的鉻層，然后通過(guò)激光刻線(xiàn)，提高了精度。這種工藝還可以用復(fù)制的方法，制造出與母板精度完全一樣的光柵，大大降低了生產(chǎn)成本。

圖6-5  ie0、ie1、ie2之間的關(guān)系圖
光柵的前置放大器EXE的功能是將光柵尺輸出的三路微弱正弦信號(hào)ie0、ie1、ie2進(jìn)行放大、整形、細(xì)分、驅(qū)動(dòng)，形成標(biāo)準(zhǔn)TTL(或HTL)電平信號(hào)輸出。 

        HEIENHAEN公司生產(chǎn)的EXE有很多種，但它們的基本原理相同。整個(gè)EXE中的電路可分為基本電路(圖6-6)和細(xì)分電路(圖6-7)兩大部分。 

        基本電路內(nèi)含通道放大器CH0-CH2、整形電路COM0-COM2、驅(qū)動(dòng)和報(bào)警電路等，制成一塊印制電路板；細(xì)分電路作為一種可選功能單獨(dú)制成一塊電路板。兩板之間通過(guò)連接器J3連接。
        若光柵尺本身的分辨率能夠滿(mǎn)足檢測(cè)精度要求，就不必選擇細(xì)分功能。此時(shí)只要將連接器J3脫開(kāi)，把基本電路板上的DIP3-4和DIP5-6置于ON，DIP7-8置于OFF即可。如設(shè)備對(duì)檢測(cè)精度要求較高時(shí)，就必須選擇細(xì)分電路。HEIDENHAIN公司提供了細(xì)分5倍(對(duì)應(yīng)EXE/601/602/604)和細(xì)分10倍(對(duì)應(yīng)EXE/610)兩種電路，可將檢測(cè)分辨率相應(yīng)提高5倍或10倍，以滿(mǎn)足不同精度機(jī)床的需要。

圖6-6  EXE的基本電路


圖6-6  EXE的基本電路

        報(bào)警電路隨時(shí)檢測(cè)ie1、ie2兩路信號(hào)，當(dāng)輸入回路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致通道放大器輸出消失時(shí)，報(bào)警電路立即動(dòng)作，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后，由J2連接器送至外部。 

        基本電路的工作原理如下：從光柵尺輸出的兩路相位互差90º的電流信號(hào)ie1、ie2經(jīng)J1連接器輸入EXE，通過(guò)放大、整形、細(xì)分驅(qū)動(dòng)后，輸出相位差90º的兩路方波信號(hào)Ual和Ua2。ie0是參考點(diǎn)信號(hào)，同樣經(jīng)放大、整形后送到邏輯門(mén)電路與細(xì)分電路的有關(guān)信號(hào)組合，形成一個(gè)與乩Ual、Ua2兩路方波信號(hào)前后沿精確對(duì)應(yīng)、脈寬為90º的方波參考脈沖Ua0。 

         通道放大器CH0~CH2完全相同，由TCA520B運(yùn)算放大器組成，L11、L12和C11、C12是濾波網(wǎng)絡(luò)，用于提高抗干擾能力；C11和C12兼差動(dòng)輸入分壓電容；R11和C13是負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。R21、R22、C2為基準(zhǔn)2.5V電壓環(huán)節(jié)，通過(guò)電阻R21和R22分壓，產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓，送至各運(yùn)算放大器的同相輸入端，以滿(mǎn)足運(yùn)算放大器在單電源工作下的偏置要求。這樣，在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，各運(yùn)算放大器的輸出均為2.5V。 

         在使用光電池作為光敏元件的所有HEIDENHAIN測(cè)量系統(tǒng)中，其光柵部分均輸出正弦波電流信號(hào)(見(jiàn)圖6-5)，其幅值在7µA和14µA之間，經(jīng)放大后，輸出幅值在0.9V至1.8V之間，且該信號(hào)在2.5V的基準(zhǔn)電平上變化。    

        整形電路COM0~COM2由—LM339集成3電壓比較器構(gòu)成。2．5V基準(zhǔn)電壓作為“門(mén)坎電平”送至各比較器的同相輸入端，通道放大器的輸出為各比較器的反相輸入。在通道放大器輸出信號(hào)UCH的正半波，比較器的負(fù)端輸入大于正端輸入，輸出為高電平；反之在UCH的負(fù)半波，比較器輸出零電平。這樣，輸入的三路正弦信號(hào)ie0、ie1、ie2就轉(zhuǎn)換成了與之對(duì)應(yīng)的三路方波信號(hào)Ucom0~Ucom2。

        報(bào)警電路由LM339中的另一個(gè)比較器U4及電阻R41~R49和二極管VDI~VD8構(gòu)成。二極管VD5~VD8組成橋式整流電路，其輸入即為報(bào)警電路的檢測(cè)信號(hào)。電路采用了差動(dòng)輸入方式，抵消了運(yùn)算放大器靜態(tài)偏移的影響，保證只對(duì)有效的交流信號(hào)敏感。 

        當(dāng)由于輸入電纜斷裂、光柵污染或燈泡損壞等原因，造成通道放大器信號(hào)Ucul和UrH：為零時(shí)，比較器輸出低電平的報(bào)警信號(hào)：當(dāng)光柵尺正常工作時(shí)，比較器輸出為高電平信號(hào)。

        報(bào)警信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器75114驅(qū)動(dòng)后，由J2連接器輸出。 

        在圖6-6中，使用了一只74LS08四與門(mén)(U3)，獲得了與Ual和Ua2兩路方波信號(hào)前、后沿精確對(duì)應(yīng)，脈寬為90‘的方波參考點(diǎn)脈沖。 

        圖6-7所示的細(xì)分電路用于某些高精度的機(jī)床中(如：數(shù)控磨床等)，當(dāng)機(jī)床要求測(cè)量系統(tǒng)有較高的分辨率時(shí)，由于光柵上的每毫米刻線(xiàn)數(shù)量受制造工藝的限制，難以提高，為此必須通過(guò)細(xì)分電路來(lái)提高測(cè)量分辨率。HEIDENHAIN生產(chǎn)

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的EXE細(xì)分電路，最高可以做到400細(xì)分，這對(duì)減少光柵尺上的刻線(xiàn)數(shù)、降低生產(chǎn)成本非常有利。
        如前所述，當(dāng)兩個(gè)光柵尺相對(duì)移過(guò)一個(gè)節(jié)距時(shí)，在光電池上將形成一個(gè)360º電角度的完整周期：若光柵尺相對(duì)移過(guò)1/n個(gè)節(jié)距時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的相角為360º/n。也就是說(shuō)，光電池輸出信號(hào)的相角反應(yīng)了柵尺的相對(duì)位移。HEIDENHAIN公司采用了RUSSELL插值法，在一個(gè)光柵節(jié)距所對(duì)應(yīng)的周期中，可以均勻地插入5個(gè)點(diǎn)(EXE601/602/604)或10個(gè)點(diǎn)(EXE610)，將分辨率相應(yīng)提高5倍或10倍。
以細(xì)分5倍電路為例，其工作原理如下：
        細(xì)分電路的原理如圖6-7所示，C1~C8是由LM339電壓比較器組成的8個(gè)整形電路們具有完全相同的形式。
       對(duì)C1~C4比較器，反向輸入端Ua是來(lái)自通道放大器CHl的輸出UCHl：Ub是來(lái)自通道放大器CH2的輸出UCH2；兩個(gè)信號(hào)在相位上互差90º。
設(shè)：Ua=UCHl=Um sinωt，
則：Ub=UCH2=Umsin(ωt－90º)
根據(jù)電路定律，電壓比較器的反向輸入端的輸入電壓為              

將Ua和Ub代入，并整理后得到：                 

                          Ø=arc  

在比較器C1中，Rl=18.2kΩ，R2=56.2kΩ

則：U1=0.79Umsin(ωt－18º)

同理可計(jì)算出比較器C2~C4的反向輸入端的輸入電壓U2~U4如下：

U2=0.71Umsin(ωt－36º)   

U3=0.71Umsin(ωt－54º)

U4=0.79Umsin(ωt－72º) 

         對(duì)C5~C8比較器，反向輸入端的輸入電壓是來(lái)自運(yùn)算放大器TCA520B的輸出：因TCA520B為1：1的反相器，通道放大器CHl的輸出信號(hào)UCH1，經(jīng)反相后，送到C5~C8比較器的反向輸入端。所以C5~C8的反向輸入端的兩輸入電壓分別為：

U1=－UCHl=Umsin(－ωt)；

U2=Umsin(ωt－90º)

         同理可得，C5~C8比較器輸入端的電壓為：

U5=－0.79Umsin(ωt+18º)   

U6=－0.71Umsin(ωt+36º)

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

        從以上幾個(gè)表達(dá)式可看出，各比較器的輸入信號(hào)仍是正弦波，但它們的初相位相對(duì)通道放大器CHl的輸出UCH1：依次后移了表達(dá)式中的對(duì)應(yīng)的電角度。

        U1~U8經(jīng)整形后，輸出方波信號(hào)Uc1~Uc8。同樣，這些方波的初相位亦較通道1輸出的整形方波Ucom1依次后移了對(duì)應(yīng)的電角度。方波信號(hào)Uc1~Uc8經(jīng)兩只74LS86異或門(mén)適當(dāng)組合之后，在J3連接器的8腳和9腳即可得到細(xì)分5倍后的波形，且U8和U9在相位上也滿(mǎn)足互差90º的要求。這兩路方波脈沖經(jīng)長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器75114驅(qū)動(dòng)后，即為對(duì)應(yīng)的Ual和Ua2通道信號(hào)，由J2連接器輸出。

        數(shù)控機(jī)床上使用的光柵尺由定尺(標(biāo)尺光柵)和讀數(shù)頭(指示光柵)組成，當(dāng)數(shù)控機(jī)床的工作刀臺(tái)移動(dòng)時(shí)，造成其定尺和掃描頭之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)、利用光的莫爾效應(yīng)，將位置移動(dòng)轉(zhuǎn)變成亮暗相間的光的“莫爾條紋”的移動(dòng)，再由光電轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的信號(hào)。

        定尺的測(cè)長(zhǎng)方向上有兩組主光柵線(xiàn)和每隔50mm的參考點(diǎn)標(biāo)記光柵線(xiàn)。光柵尺的作用有兩個(gè)方面：當(dāng)坐標(biāo)軸移動(dòng)時(shí)，由主光柵線(xiàn)產(chǎn)生兩組相位差為90º的正弦和余弦的信號(hào)，用于判別坐標(biāo)軸的移動(dòng)方向和位移量；當(dāng)坐標(biāo)軸執(zhí)行回零點(diǎn)操作時(shí)，由參考點(diǎn)標(biāo)記光柵線(xiàn)產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)以確定機(jī)床的參考點(diǎn)。

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