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数控机床光栅
日期：2011年07月22 来源：沈阳机床（集团） 关键字：数控机床
在高精度数控机床上，使用光栅作为位置检测装置。它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC系统，实现闭环位置控制。光栅种类很多，其中有物理光栅和计量光栅之分。数控机床物理光栅的刻线细而密，栅距（两刻线间的距离）在。．002—0. 005mm之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。数控机床计量光栅相对来说刻线较粗，栅距在0.004—0. 25mm乏间，通常用于数字检测系统，用来检测高精度的直线位移和角位移。数控机床计量光栅是用于数控机床的精密检测装置，具有测量精度高、响应速度快、量程宽等特点，是闭环系统中一种用得较多的位置检测装置。
1．数控机床光栅的种类
根据光线在光栅中是反射还是透射分为透射光栅和反射光栅；透射光栅是在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹。反射光栅是在钢尺或不锈钢带的表面上，光整加工成反射光很强的镜面，用照相腐蚀工艺制作光栅条纹。
根据光栅形状可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测角位移。
2数控机床光栅的结构与工作原理
(1)数控机床直线透射光栅的组成
光栅位置检测装置由光派、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电接收元件等组成。
光栅装置由标尺光栅和指示光栅组成，在标尺光栅和指示光栅上都有密度相同的许多刻线，称为光栅条纹。光栅条纹的密度一般为每毫米25、50.100或250条。通常指示光栅固定在机床的固定部件上，标尺光栅固定在机床的移动部件上t两者随数控机床移动部件的移动而相对移动。两光栅尺相互平行放置，并保持一定的间隙(o. 00~o．imm)重叠在一起．a为栅线宽，^为栅线缝隙宽，d-。+^为光栅的栅距。数控机床由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成。信号处理电路一般包括放大、整形、鉴向、倍频电路等。通常情况下，除标尺光栅与工作龠装在一起随其移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个壳体内，做成一个单独的部件，固定在机床上，其作用是将光栅莫尔条纹变成电信号。读数头由光源，透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，是一个单独的部件。
(2)光数控机床栅的基本测量原理
对于棚距d相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角日、刻划面相对平行且有一个很小的间隙(一般取0 05mm，0 imm)放置时，在光源的照射下，由于先的衍射或遮光效应，在与两光栅线纹角目的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间的条纹，这种条纹称“莫尔条纹”。由于0角很小-所以奠尔条纹近似垂直于光栅的线纹，故有时称莫尔条纹为横向奠尔条纹。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为奠尔条纹的宽度，以埘表不。
莫尔条纹具有如下特性：
①起放大作用。如图4-25(b)所示，在倾斜角自很小时，莫尔条纹宽度Ⅲ与栅距d之间有如下关系
叫一d/(2sin0/2)≈d,10
若取d=0.Oimm．O=O.Oirad，则w-imm。利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距d转换成放大100倍的莫尔条纹宽度山。
②实现平均误差作用。莫尔条纹是由大量光栅线纹干涉共同形成的，使得栅距之间的相邻误差被平均化了·消除了由光栅线纹的制造误差导致的栅距不均匀而造成的测量误差。
③莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个奠尔条纹宽度；若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方I句也相反。莫尔条纹移动方向与两光栅夹角口移动方向垂直。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹移动的变化来代替。
由于莫尔条纹的位移刚好反映丁光栅栅距的位移，同时莫尔条纹的光强也经历了一个由亮到暗、由暗到亮的正弦变化周期。这样，栅距移动与莫尔条纹移动的对应关系，便于用光敏元件（如硅先电池）将光信号转换成电信号。
编码器是一种旋转式的检测角位移的传感器。在位移检测传感器中，编码器是数控机床中使用较多的一种传感器。编码器按码盘的读取方式，可分为光电式、接触式和电磁式。就精度和可靠性来讲，光电式编码器优于其他两种，是目前应用较多的一种。下面主要介绍光电脉冲编码器。
脉冲编码器的型号由每转发出的脉冲数来区分。
数控机床上常用的脉冲编码器有2 000P/r、2 000P/r、3 000P/r等，在高速、高精度数字伺服系统中应用高分辨率的脉冲编码器，如20 000P／r、20 000P/r和30 000P/r等，现在已有使用每转发10万个脉冲的脉冲编码器，该编码器装置内部采用了微处理器。
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