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光栅尺测量原理与测量基准

发布时间:2016-11-17 阅读:0次

HEIDENHAIN公司的光学扫描型光栅尺或编码器的测量基准都是周期刻线-光栅。光栅刻制在玻璃或钢制材料上。大长度测量用的光栅尺基体为钢带。这些精密光栅是用多种光刻工艺制造的。光栅的刻制方法有:
• 在玻璃上镀硬铬线
• 在镀金钢带上蚀刻线条,或者
• 在玻璃或钢材上蚀刻三维结构的图案。

HEIDENHAIN公司开发的光刻工艺生产的典型栅距为40 μm至4 μm。
这种方法除了能刻制栅距非常小的光栅外,而且它刻制的光栅线条边缘清晰、均匀。再加上光电扫描法,这些边缘清晰的刻线是输出高质量信号的关键。
母版光栅采用HEIDENHAIN定制的精密刻线机制造。

绝对测量法
如果采用绝对测量方法,当编码器通电时就可立即得到位置值并提供给后续电子设备供其随时读取。而无需移动机床轴去找参考点位置。绝对位置值信息来自光栅尺,在光栅尺上刻有一系列绝对编码线。单独的增量刻轨通过信号细分提供位置值,同时也能生成供选用的增量信号。

增量测量法的光栅是周期性的光栅刻线。位置信息是通过计算自某点开始的增量数(测量步距)获得的。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绝对位置值可以精确到一个测量步距。因此必须通过扫描参考点来建立绝对参考点或定位上次选择的原点。

有时,需要机床移动较大的行程。为加快和简化“参考点回零”操作,许多光栅尺上还刻有带距离编码的参考点,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(一般只有数毫米)(见表),后续电子设备就能找到绝对参考点位置。凡型号后带字母“C”的光栅尺或编码器为带距离编码参考点(例如LS 487 C)。

HEIDENHAIN公司的大多数光栅尺或编码器都采用光电扫描原理。光栅尺的光电扫描是非接触的,因此无摩擦。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。
光栅尺栅距越小,光电扫描的衍射现象越严重。HEIDENHAIN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和40 μm栅距光栅尺。
• 干涉扫描原理,用于栅距8 μm甚至更小光栅。

成像扫描原理
简单的说,成像扫描原理是采用透射光生成信号:栅距相同或相近的光栅尺和扫描光栅彼此相对运动。扫描光栅的基体是透明的,而作为测量基准的光栅尺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,扫描掩膜就在这个位置处。当两个光栅相对运动时,穿过光栅尺的光得到调制。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,则光线无法通过。一组规则排列的光电池将这些光强变化转化成电信号。特殊形式的扫描光栅将光强调制为近正弦输出信号。
栅距越小,扫描光栅和光栅尺间的间距越小,公差越严。
LC、LS和LB直线光栅尺采用成像扫描原理。

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置测量移动量的信号。阶梯状光栅的光栅尺:在平反光面上刻上线高0.2 μm的反光线。光栅尺的前面是扫描光栅,其栅距与光栅尺的栅距相同,它是透射相位光栅。当光照到扫描光栅时,光被衍射为三束光强近似的光:-1,0和+1。光栅尺衍射的光波中,反射光的衍射光强最强的光束为+1和-1。这两束光在扫描光栅的相位光栅处再次相遇,又一次被衍射和干涉。它形成三束光并以不同的角度离开扫描光栅。光电池将这些交变的光强变化转化成电信号。

测量精度
决定直线光栅尺测量精度的主要因素有:
• 光栅质量
• 扫描质量
• 信号处理电路质量
• 扫描光栅导轨与光栅尺间误差其中必须区分两种位置误差,一种是较大行程(例如全量程)上的,另一种是单信号周期内的。

测量范围上的位置误差
封闭式直线光栅尺精度分为不同精度等级,其定义如下:
在任意1 m长的测量范围内,测量曲线上的极限值±F不超过精度等级±a。它由最终检测确定并标注在检定记录图中。

对封闭式直线光栅尺,这些值适用于整个光栅尺系统,包括扫描单元。因此,它是系统精度。
单信号周期内位置误差单信号周期内的位置误差取决于光栅尺的一个信号周期、光栅质量和扫描质量。在任何测量位置处,单信号周期的位置误差不超过信号周期的±2%,LC和LS系列直线光栅尺一般为±1%。信号周期越小,单信号周期内的位置误差也越小。
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