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光柵尺在現代工業的貢獻也是非常巨大的

時間:2018-07-19 點擊次數:2043
  光柵尺位移傳感器(簡稱光柵尺),是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經常應用于機床與現在加工中心以及測量儀器等方面,可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數字脈沖,具有檢測范圍大,檢測精度高,響應速度快的特點。例如,在數控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測,來觀察和跟蹤走刀誤差,以起到一個補償刀具的運動誤差的作用。
  光柵尺在現代工業的貢獻也是非常巨大的,不僅僅將加工精度進一步完善,更重要的是提高了加工時的工作效率。在中國加工業、制造業越來越成熟,對加工的精度越來越高的時候,在各種機床上,例如:、磨床銑床、車床、線切割、電火花等機床上都可以安裝光柵尺,其工作環境要求相對來說不是很苛刻,對操作者的使用來說也十分簡單。
  在這里需要說明的是,光柵尺只是一個反饋裝置,它可以將位移量和位移方向通過信號輸出的方式反饋出來,但它不能直接顯示出來,它還需要一個顯示裝置,我們簡稱它為數顯顯示箱,也稱數顯表。只有當光柵尺和數顯表連接在一起的時候,才能正常的將數值反應給每一位操作者,因而,我們對于光柵尺的使用上面,還是要多了解,如果不是很專業的人員,需要知道一些專業性的知識,才能單獨使用光柵尺作為反饋裝置使用。
  光柵尺位移傳感器按照制造方法和光學原理的不同,分為透射光柵和反射光柵。
  透射光柵指的光源與接收裝置分別放置在光柵尺的兩側,通過接收光柵尺透過來的衍射光變化來反應位置變化。比較通用的是玻璃光柵。.
  反射光柵指的是光源與接收裝置安裝在光柵尺的同一側,通過接收光柵尺反射回來的衍射光變化來反應位置變化。比較通用的有鋼帶光柵和玻璃光柵
  光柵尺位移傳感器是由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床活動部件上,光柵讀數頭裝在機床固定部件上,指示光柵裝在光柵讀數頭中。右圖所示的就是光柵尺位移傳感器的結構。
  工作原理
  常見光柵的工作原理都是根據物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的。當使指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時,必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下,交叉點近旁的小區域內由于黑色線紋重疊,因而遮光面積小,擋光效應弱,光的累積作用使得這個區域出現亮帶。相反,距交叉點較遠的區域,因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少,不透明區域面積逐漸變大,即遮光面積逐漸變大,使得擋光效應變強,只有較少的光線能通過這個區域透過光柵,使這個區域出現暗帶,從而便形成了我們所見到的莫爾條紋。
  莫爾條紋
  以透射光柵為例,當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ,并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時,在光源的照射下,位于幾乎垂直的柵紋上,形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋” (右圖所示)。嚴格地說,莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度,以W表示。
  莫爾條紋
  W=ω /2* sin(θ/2)=ω /θ 。
  莫爾條紋具有以下特征:
  (1)莫爾條紋的變化規律
  兩片光柵相對移過一個柵距,莫爾條紋移過一個條紋距離。由于光的衍射與干涉作用,莫爾條紋的變化規律近似正(余)弦函數,變化周期數與光柵相對位移的柵距數同步。
  (2)放大作用
  在兩光柵柵線夾角較小的情況下,莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線角θ之間有下列關系。式中,θ的單位為rad,W的單位為mm。由于傾角很小,sinθ很小,則
  W=ω /θ
  若ω =0.01mm,θ=0.01rad,則上式可得W=1,即光柵放大了100倍。 (3)均化誤差作用
  莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成,例如每毫米100線的光柵,10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋,這樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了,消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。
  檢測與數據處理
  光柵測量位移的實質是以光柵柵距為一把標準尺子對位移量進行測量。高分辨率的光柵尺一般造價較貴,且制造困難。為了提高系統分辨率,需要對莫爾條紋進行細分,2006年,光柵尺位移傳感器系統多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時,在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產生莫爾條紋,隨著光柵的移動,莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個數的測量。
  在一個莫爾條紋寬度內,按照一定間隔放置4個光電器件就能實現電子細分與判向功能。例如,柵線為50線對/mm的光柵尺,其光柵柵距為0.02mm,若采用四細分后便可得到分辨率為5μm的計數脈沖,這在工業普通測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量,即要檢測其大小,又要檢測其方向,因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波,通常采用由低漂移運放構成的差分放大器。由4個光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端,從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2,為得到判向和計數脈沖,需對這兩路信號進行整形,首先把它們整形為占空比為1:1的方波。然后,通過對方波的相位進行判別比較,就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數,可以得到光柵尺的位移和速度。
  光柵檢測裝置結構:光柵檢測裝置的關鍵部分是光柵讀數頭,它由光源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調整機構等組成。光柵讀數頭結構形式很多,根據讀數頭結構特點和使用場合分為直接接收式讀數頭(或稱硅光電池讀數頭、鏡像式讀數頭、分光鏡式讀數頭、金屬光柵反射式讀數頭)。

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