光学尺-中国测控网

光栅尺是精密的光栅测量系统,适用于大量程的精密测量. 尤其适用于测量, 医疗设备,精密现代化加工设备. 数控加工中心，机床，磨床，铣床，自动卸货机，金属板压制和焊接机，机器人和自动化科技，生产过程测量机器，线性产品, 直线马达, 直线导轨定位等。

光栅尺将直线的位移变化转换为脉冲信号. 脉冲信号的数量对应移动的距离，脉冲频率则反应了运动速度。LE 本体部分由5只精密轴承，玻璃光栅，LED光照系统，铝合金外壳组成。

LE输出信号为矩形方波。A，B相相差90°的两路波形，能够指示出移动距离以及方向。零位信号间距50mm 。可选购RS422长线输出。

产品特点

具有单层及双层防护密封条：采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶，防水、防尘性能优异，使用寿命长。防护等级达到IP53。
具有最先进可靠的光学测量系统：滑动部件采用已被验证为最可靠耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，具有优异的重复定位性和高等级的测量精度。
光栅玻璃尺：采用先进的光栅制作技术，可制作各种规格的高精度光栅玻璃尺，最长可做到3000mm（不接长）。

产品用途

拉杆连接，安装极为方便，读数头用精密轴承沿标尺定向，自由移动时通过拉杆连接，能准确计量。可实现远端推拉读数头准确计量，适用于读数头无法直接固定的场合。
TTL、EIA-422信号集电极开路输出，方便与可编程控制器接口。
（注：不配套拉杆，只配套传感器和连接块）
光栅传感器：分为敞开式和封闭式两类。其中敞开式为高精度型，产品型号为JCT，输出波形为正弦波，主要用于精密仪器的数字化改造，最高分辨率可达0.1um。封闭式则主要用于普通机床、仪器的数字化改造，输出波形为方波，按外形分类可分为小型尺、标准尺、大型尺三类，型号分别为JCXF型、JCXE型、JCXG型，其中大型尺（JCXG型）最长可做到3000mm，分辨率有0.5μ、1μ、2μ、5μ、10μ。此外根据用户需求，可提供各种安装附件以方便系统安装。

一、光栅尺应用

线位移光栅传感器数显系统主要应用于直线移动导轨机构或精密位移量的测量，可实现移动量的高精确显示和自动控制，
已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。目前该产品已形成多种系列，品种齐全，制作精巧，技术精良，可供不同规格的
各类机床、仪器数字化改造选用，还可根据用户的特殊需要进行特殊制作。配套相应的数显系统可以用于车床改造、铣床改造、
镗床改造、磨床改造、火花机改造、钻床改造、坐标测量、投影测量等。

二、光栅尺分类

1、按外型分大型尺：QH-200 QH-400 QH-600 QH-800

2、按分辨率分有：0.2u----25u

3、按供电电压分有：5V----24V

4、按输出信号分有TTL方波、TTL方波、HTL方波(5V、12V、15V、24V)、RS422信号、正弦电压信号1Vp-p

三、详细说明
栅距：0.01mm(100线对/mm)、0.02mm(50线对/mm)、0.04mm(25线对/mm)
精度：±0.008mm、±0.01mm、±0.015mm、(20℃ 1000mm)
参考标记：间隔25mm、间隔50mm、间隔100mm、间隔200mm、或全量程任意位置设一个绝对位置参考点(ABS)
量程：1000mm以内任意选择
分辨率：0.2u---25u 响应速度：25m/min、 60m/min
工作温度：0-45℃ 存储温度：-40℃-55℃

　光栅：光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。

　　光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。

　　光栅尺其实起到的作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用,在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差,以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用.其实就象人眼睛看到我切割偏没偏的作用.然后可以给手起到一个是否要调整我是否要改变用力的标准.

　　相当于眼睛.

　　一、引言

　　目前在精密机加工和数控机库中采用的精密位称数控系统框图如图1所示。

　　随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。

　　图2是利用光栅传感器构成的位移量自动测量系统原理示意图。该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量，它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能。下面对该系统的工作原理及设计思想作以介绍。

　　二、电子细分与判向电路

　　光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为：

　　(1)

　　式中：W为莫尔条纹宽度；d为光栅栅距（节距）；θ为两块光栅的夹角，rad

　　在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采用了由低漂移运放构成的差分放大器。由4个滏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031组成的单片机系统中进行处理。

　　三、单片机与接口电路

　　为实现可逆计数和提高测量速度，系统采用了193可逆计数器。假设工作平台运行速度为v，光栅传感器栅距为d，细分数为N，则计数脉冲的频率为：

　　(2)

　　若v=1m/s,d=20μm,N=20，则f=1MHz，对应计数时间间隔为1，显然对于8031单片机系统的响应为2μs是不能胜任的。经可逆计数器分频后，可大大地提高测量速度。

　　由于193是4位二进制输出，为与单片机接口，把两片193采用了级联的方式，这样最多可计255个脉冲，若再来脉冲，进位端或借位端将输出一个脉冲送到单片机T0、T1端计数，保证送到8031的信号不丢失。

　　本系统长度最大可测几米（由光栅实际长度决定），最小分辨率为μm级，需要7个显示数据。正向运行时不显示符号，反向运行时需显示"-"号，所以连同符号位，共需8个显示块。为了符全人们应用习惯，显示块选用共阴极LED。

　　为实现测量系统的智能化，设置了一个2×8方式键盘矩阵，其中包括0～9共10个数字键和6个功能键：L/A长度/角度转称功能键；+/-符号转换功能键；ΔT温度误差修正功能键；EXE执行键；ENT预置键CE（清零键）。键盘、显示器与单片机之间通过一个接口芯片8155来连接。其中，8155的PA口设置辚基本输出方式，作为8位LED显示的段码线；PB口设为输出方式，作为8位LED的位选线；PC口设为输入方式，作为键盘的行扫描线。PB口侠选线每次选通1位显示，每次显示1ms，由于人眼视觉惰性，可产生8位显示块同时显示现象。

　　由于从前置电路74LS54出来的脉冲经过2片193分频后，直接进入8031的仅为大于255的"大"数，而小于255的"小"数是由两片193输出通过I/O接口输入到8031内部处理，这个I/O接口芯片是通过扩展一片8255实现的。其中，8255PB口设为基本输入方式，PB0-PB3作为1#193输入，PB4～PB7作为2#193输入。PA口、PC口的低位设为输出，作为系统并行BCD码输出。由于8031单片机无内ROM，应外扩展一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片选，不必增加地址译码。为锁存8031P0口输入的地址信号，在8031和2732之间需加一片74LS373地址锁存器。

　　四、软件设计

　　根据硬件电路和系统功能要求，我们设计了软件程序，由于采用了温度误差修正子程序，可使检测的精度得到大大提高。光栅传感器是光机电一体化结构，光栅尺是由玻璃制做，外壳是由型铝材料。当环境温度变化时，必然会引起结构尺寸改变导致光栅栅距的变化，带来检测误差。设定环境温度为20℃时为检测标准值，与标准值比较测出温度变化时带来的位移误差值，即时测出位移误差一温度特殊性性曲线，由特性曲线拟合出误差一温度方程式，作为软件温度误差修正的基础。本系统软件采用模块化结构，软件编制简洁，紧凑合理。

　　五、结论

　　根据上述硬件电路和软件设计，经实验测试，系统的测精度可优于±5μm，目前，我们研制的利用光栅传感器进行长度、角度自动测量的智能仪表已形成系列产品，分辨率可从20μm到1μm，具有性能稳定、抗干扰能力强、体积小、结构紧凑、成本低等优点，已成功地应用于机库改造和相关的光电尺寸与位置检测系统中。

　　光栅尺位移传感器的介绍

　　一、位移传感器基本原理

　　光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。

　　二、位移传感器安装方式

　　光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。

　　一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。

　　1、位移传感器安装基面

　　安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：①应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基座长出光栅尺50mm左右）。②该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。

　　2、位移传感器主尺安装

　　将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：

　　（1）在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。

　　（2）在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。

　　（3）不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。

　　3、位移传感器读数头的安装

　　在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。

　　4、位移传感器限位装置

　　光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。

　　5、位移传感器检查

　　光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。

　　在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。