数控检测系统原理与维修

3.1 光栅读数头

　　读数头的种类很多，常用的有垂直入射式读数头和反射光栅读数头。这里以垂直入射式读数头(见图2)为例进行分析。

图2垂直入射式读数头

　　a．光源：一般采用白炽灯，发出辐射光线；

　　b．透镜：把光源的辐射光线经过透镜后变为平行光束；

　　c．标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺，它们是用真空镀膜的方法，光刻有均匀密集线纹的透明玻璃尺(线纹透明与不透明间隔相等)如图3所示。标尺光栅固定在机床的活动部件(如工作台或丝杠上)，指示光栅与读数头的其它部件安装在机床的固定部件上(如机床底座上)，两者随机床工作台的移动而相对移动。

图3透射光栅 

　　光栅尺的刻线线纹相互平行，线纹之间的距离相等，此距离称为栅距。每毫米上的线纹数称为线纹密度，线纹密度越大，测量精度越高。一般用黑白光栅尺可做到100条／mm，再经过电路细分，可作到微米级的分辨率。常用的有(25、50、100、125、250)条／mm。同一个光栅尺，标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同；

　　d．光电池组：也称光敏元件，是一种将光信号转换成电信号的元件，而且光敏元件能根据光强不同，感应出不同幅值的电压信号。

4 光栅位置检测装置的原理

　　光源发出的辐射光线，经过透镜后变为平行的光束照射光栅尺。并透过光栅尺照射到光敏元件上。标尺光栅上的线纹与指示光栅上的线纹在空问形成一定角度0放置(如图4所示)。从而形成两光栅尺上的线纹相互交叉，在平行光束的照射下，两光栅尺线纹交叉点附近区域，由于线纹重叠，透明区域变大，透射光线效果最好，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距交叉点越远，两光栅尺不透明的黑线的重叠部分越少，黑线所占区域将增多，则遮光面积增大，挡光效应增强，只有少量光线透过光栅尺，从而使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直的亮、暗相间的光带称为莫尔条纹。严格地说莫当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹也将随之移动，并且莫尔条纹的移动方向与两光栅尺相对移动的方向垂直；当两光栅尺相对移动一个栅距d时，则莫尔条纹也相应地移动莫尔条纹宽度形；若两光栅尺相对移动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也随之改变。莫尔条纹由亮带到暗带、再由暗带到亮带。即透过两光栅尺的光线强度的分布近似余弦规律。当两光栅尺相对移动时，照射到同一点(如光敏元件)上的光强也将是按余弦规律变化的。光敏元件是一种将光强信号转变为电信号的光电转换元件。当一束光强变化规律为余弦的光信号照射光敏元件时，光敏元件将输出余弦规律变化的电压信号。

图4莫尔条纹图 

　　根据要求不同，在读数头内通常安装2个或4个光敏元件(以4个光敏元件为例分析)。4个光敏元件在莫尔条纹宽度Ⅳ上均匀分布，光敏元件两两相距l／4莫尔条纹，即W／4。当两光栅尺相对移动时，4个光敏元件输出的电压信号在相位上依次超前或滞后1／4周期(即1T／2)。根据光敏元件产生两两相位相差'rr／2的交变电压信号的相位关系、变化过程及频率，就可以确定出两光栅尺相对移动的方向、距离及速度。

　　式中：矽一莫尔条纹的宽度；d-光栅尺的栅距；θ 两光栅尺线纹的夹角；它们三者之间的几何关系为：

　　若取d=0.01 mm(100条／inm)，θ=057。，则由上式可得出形=1 mm。由此可看出利用光的干涉现象，把光栅的栅距转换成放大了100倍的莫尔条纹宽度。由于莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的，如光栅尺长10mm，每个光敏元件也做成10 mm长，光栅线纹为100条／mm，则在光敏元件上得到莫尔条纹的光强，则是由1 000条光栅线纹而形成，则光敏元件输出的电信号也是由这1 000条光栅线纹的光强而共同形成。由此町知，莫尔条纹对光栅各线纹之间的栅距误差有平均效应，能消除光栅栅距不均匀造成的影响。

5 信息处理电路及原理分析

　　5.1 放大环节

　　由于光栅读数头(读数头中光敏元件)输出微弱的交变电压信号。常采用差动放大器进行信号放大。4个光敏元件a,b、c、d输出的叫路信号，若a路输出信号初相位为0°，则b路输出信号初相位为π／2，C路输出信号初相位为π，d路输出信号初相位为3π／4(见图5)。

图5放大环节 

　　将a路和C路信号(相位相差180°)加到同一差动放大器的同相输入端和反向输入端，将b路和d路信号加到另一差动放大器的同相及反相输入端。两只差动放大器输出端将分别输出初相位为0°和π／2的交变信号U_A、U_B，如图5所示。其平均值为2.5 V。U_A 和U_B 的频率表示了工作台的移动速度，U_A 或UB每变化一个周期表示工作台移动了一个栅距，U_A 与U_B 的相位关系表示了工作台移动的方向。

　　5.2 整形环节(见图6)

图6整形环节线路及输入输出波形 

　　整形环节是将差动放大器输出的2路交变信号，分别加到2个电压比较器，如图6所示。整形环节(电压比较器)将U_A及U_B转换成与交变电压信号同频率的随路方波信号A及B。交变信号电压的平均值为2.5 V，电压比较器的比较电压取2.5 V。当被比较电压以(UB)低于2．5 V时，电压比较器输出低电平，即0 V；当被比较电压U_A(U_B)高于2．5 V时，电压比较器输出高电平(5 V)。

　　5.3 倍频鉴向电路(见图7)

图7四倍频电路及波形 

　整形环节输出的方波信号每变化一个周期表示工作台移动了一个栅距。倍频电路每输出一个脉冲，计数器就计一个数。在整形环节输出方波信号变化一个周期中(即工作台移动一个栅距)，倍频电路输出脉冲越多，光栅榆测装置的分辨率就越高，相应机床的加工精度也就越高。倍频电路输出有4倍频、10倍频、20倍频。若光栅尺选用100条／mm与10倍频电路配合，可使榆测装置的测量精度达到1μm的分辨率。(以下以4倍频为例分析)在机床工作台移动了一个光栅栅距时，整形环市输出一个周期方波信号，则倍频电路将在一个方波信号周期内输出4个脉冲信号。因此，倍频电路每输出一个脉冲，就表示工作台移动了1／4栅距。若光栅尺选用100线／ram，则该光栅测量装置可达到2.5μm的分辨率。4倍频线路及4倍频线路输出波形如图7所示。在倍频电路巾，时钟频率越高，倍频电路输出脉冲的误差就越小。因此，时钟脉冲频率远远高于方波的频率。