绝对式编码器和直线光栅尺的使用
摘要: 在现在工业数控机床的制造中使用较广泛的还有：绝对式编码器和直线光栅尺。图绝对式编码器绝对值编码器：旋转增量值编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来计算其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的...
在现在工业数控机床的制造中使用较广泛的还有：绝对式编码器和直线光栅尺。
一、线性光栅尺选型 (1)准确度等级的选择数控机床配置线性光栅尺是了提 高线性坐标轴的定值精度、再复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的，光栅尺准确度等级有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我们在设计数控机床时根据设计精度要求来选择准确度等级，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，它是机床工作精确度的关键环节，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致，以克服由于温度引起的热变形。 另外光栅尺最大移动速度可达120m/min，目前可完全满足数控机床设计要求；单个光栅尺最大长度为3040mm，如控制线性坐标轴大于3040mm时可采用光栅尺对接的方式达到所需长度。 (2)测量方式的选择光栅尺的测量方式分增量式光栅尺 和绝对式光栅尺两种，所谓增量式光栅尺就是光栅扫描头通过读出到初始点的相对运动距离而获得位置信息，为了获得绝对位置，这个初始点就要刻到光栅尺的标尺上作为参考标记，所以机床开机时必须回参考点才能进行位置控
制。
而绝对式光栅尺以不同宽度、不同问距的闪现栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息，不需要移动坐标轴找参考点位置，绝对位置值从光栅刻线上直接获得。 绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高20％左右，机床设计师因考虑数控机床的性价比，一般选用增量式光栅尺，既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的，机床在停机或故障断电后开机可直接从中断处执行加工程序，不但缩短非加工时间提高生产效率，而且减小零件废品率。因此在生产节拍要求格或由多台数控机床构成的自动生产线上选用绝对式光栅尺是最为理想的。 (3)输出信号的选择光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差动矩形波信号四种，虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标轴的定位精度、重复定位精度没有影响，但必须与数控机床系统相匹配，如果输出信号的波形与数控机床系统不匹配，导致机床系统无法处理光栅尺的输出信号，反馈信息、补偿误差对机床线性坐标轴全闭环控制无从谈起。在实践中确有输出信号的波形与数控机床系统不匹配
几类典型光栅尺的性价比分析和使用要求简介 摘要：本文介绍了光栅尺的基本原理和分类。并列举了实际生产中的几种典型光栅尺，介绍了其技术参数、安装步骤和使用方法，通过比较，得出性价比分析。关键词：光栅尺；技术参数；摩尔纹 Abstract:This paper introduces the basic principle of grating ruler and classification. And enumerates several typical light in actual productio n.Grating ruler, introduces the technical parameters, the installation steps and method of use, by comparison, it is concluded that ratio of analysis. Keyword: grating ruler；technical parameters；Moore grain
1.光栅尺简介 光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。 1.2光栅尺工作原理 光栅尺是通过莫尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器. GBC系列光栅尺是由读数头、主尺和接口组成。玻璃光栅上均匀地刻有透光和小透光的线条，栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，采用四细分后便可得到分辩率为5μm的计数脉冲。一般的情况下，线条数按所测精度刻制，为了判别出运动方向，线条被刻成相位上相差90°的两路。当读数头运动时，接口电路的光电接收器分别产生A相和B相两路相位相差90°的脉冲波，输出信号再经过数显系统细分处理,分辨率是光栅周期除以信号细分数,经过电子信号细分处理分辨率可为5um或1um 。 1.2.1莫尔条纹 以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上形成明暗相间的条纹，这种条纹称为“莫尔条纹”。严格地说莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直，莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。莫尔条纹W=ω /2* sin（θ/2）=ω /θ 。 1.2.2莫尔条纹具特征： (1)莫尔条纹的变化规律 两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与
海德汉 海德汉编码器和海德汉光栅尺使用的各种参数 10 编程：Q参数
10.1原理和概述 你可以在一个零部件加工程序中编写同类零部件的程序，你只须输入称作Q参数的变量取代固定的数字值即可。 Q参数可以代表诸如以下的信息： □坐标值 □进给率 □RPM（重复数/分） □循环数据 Q参数也可以帮助你编写通过数学功能定义的外形轮廓。同时，你也可以使用Q参数根据逻辑状况执行机械加工步骤。与FK编程连用，可以将无法NC-兼容的外形轮廓与Q参数结合。 Q参数由字母Q和0到299之间的一个数字命名。其分组情况分为三类： 含义范围 普遍适用参数，适用于所有TNC内存 记忆的程序 Q0到Q99 为特殊TNC功能设定的参数Q100到Q199 主要用于循环的参数，适用于所有存 储在TNC内存中的程序 Q200到Q399 编程说明 在一个程序中可以混用Q参数和固定数字值。 Q参数可以被指定给-99.999,9999和+99 999.9999之间的数字值。TNC可以计算十进制小数点前57位到小数点后7位的范围（32位数据的计算范围相当于十进制数值4 294 967 296）。 一些Q参数总是被TNC指定给同样的数 据。例如，Q108总是被指定给当前刀具半 径，可参见368页的“预先指定Q 参数”。 如果你在OEM循环中使用Q60至Q99之间 的参数，须通过MP7251定义这些参数是 否仅用于OEM循环，还是全部适用。 338
调用Q参数功能 在编写零部件加工程序时，按下“Q”键（位于数字值输入 键盘，-/+键的下方）。然后，TNC会显示以下软键盘： 功能组软键盘 基础算术(指定,加减乘除,平方根) BASIC ARITHM. 三角函数功能TRIGO- NOME TRY 计算循环功能CIRCLE CALCU- LATION 如果/则条件,转移JUMP 其它功能DIVERSE FUNCTION 直接输入公式FORMULA 339
非接触光栅系统安装与使用指南 RGS20-S 、RGS40-S 光栅安装 (End Clamps) Renishaw （雷尼绍） 安装准备 1. 剪裁所需光栅，确保光栅的长度能满足行程的要求。请预留把光栅尺伸延至“起始”标记点。未到达标记点前，一定要避免光栅尺粘贴到表面上。确保光栅尺已粘贴到全行程的表面上。 安装过程中，避免扭曲及用力拖拽光栅尺。 图(1) 图(2) 除去端压块底部两边的胶纸。胶纸的作用是在胶水未稳固时临时固定端压块。 4. 把端压块粘贴到光栅尺的末端。 备注： 必须擦净端压块周边的多余胶水，否则读数头的信号会受影响。 型号端压块(End Clamps)所有型号的光栅上安装，并能多次重复使用。 RGA22G RGA245 RGA245 RGA22G
读数头安装 读数头设定 图(3) 图(3)是一个简单安装支架设计。螺丝(A) ---- 夹紧读数头，设定Pitch 参数螺丝(B) ---- 设定Yaw 参数和偏移螺丝(C) ---- 可设定Roll 参数 安装支架设定 固定读数头的托架，必须有平坦表面，能满足读数头安装上的机械公差。其次必须能调节读数头高度并有足够的稳定性，以预防在读数头工作期间所受到的所有外界影响。为了减少光栅的安装问题，在未使用光栅安装器(Scale Guide)粘贴光栅前，请先把机械托架的Roll 参数和Yaw 参数调节到读数头的误差范围内，可使用clock gauge 或precision square 完成设定。 对于RGH22、RGH26和RGH41，设定读数头的高度，可透过蓝色和或橙色的校准胶片放置于读数头和光栅尺之间，读数头的LED 安装指示灯显示绿色，表示安装正确。 橙色的校准胶片还可以帮助设定读数头相对于光栅尺的偏移和Yaw 参数 。 对于RGH24和RGH25读数头，设定只可透过蓝色校准胶片放置于读数头和光栅尺之间， 读数头的LED 安装指示灯显示绿色，表示安装正确。 读数头高度设定完成后，以缓慢的速度移动读数头，确保读数头的指示灯在光栅尺的整个行程内都保持绿色。RGB25和RGH41提供外置设定信号 (X 或Vx)，当LED 指示灯失效时，可提供另一个安装参考。外置设定信号是一个5 V 电源，信号为5 V 表示设定正确，当信号为0 V 时，表示需重新设定。 备注： 安装读数头的螺丝力矩大约在0.5 Nm 至0.7 Nm 之间。光栅尺、读数头的信号窗口和托架表面都必须保持清洁。 RGH22、RGH26和RGH41 设定读数头简介图 外置设定信号 RGH24和RGH25设定读数头简介图 LED 安装指示灯显示强度比例 警报信号：读数头接收信号低于15%
光栅尺调试增加第二测量回路及增加光栅尺功能 1．PLC 程序修改DB3x.DB1.5=0, DB3x.DB1.6=1 2．机床数据MD30200=2 N30200 $MA_NUM_ENCS[AX1]=2 N30240 $MA_ENC_TYPE[1,AX1]=1 N31000 $MA_ENC_IS_LINEAR[1,AX1]=1 N31010 $MA_ENC_GRID_POINT_DIST[1,AX1]=0.02 N31040 $MA_ENC_IS_DIRECT[1,AX1]=1 N32110 $MA_ENC_FEEDBACK_POL[1,AX1]=-1 N34060 $MA_REFP_MAX_MARKER_DIST[1,AX1]=500 如果为带距离编码的光栅尺： 3．PLC 程序修改DB3x.DB1.5=0, DB3x.DB1.6=1 4．机床数据MD30200=2 N30200 $MA_NUM_ENCS[AX1]=2 N30240 $MA_ENC_TYPE[1,AX1]=1 N31000 $MA_ENC_IS_LINEAR[1,AX1]=1 N31040 $MA_ENC_IS_DIRECT[1,AX1]=1 N32110 $MA_ENC_FEEDBACK_POL[1,AX1]=-1 MD34200 ENC_REFP_MODE=3 N31010 $MA_ENC_GRID_POINT_DIST[1,AX1]=0.04 ; MD34310 ENC_MARKER_INC =0.04 MD 34300 ENC_REFP_DIST=80 N34060 $MA_REFP_MAX_MARKER_DIST[1,AX1]=80 MD34320 ENC_INVERS[1] ;=0 光栅尺与机床同方向 MD34000 REFP_CAM_IS_ACTIVE =0 绝对光栅尺： 5．机床数据MD30200=2 N30200 $MA_NUM_ENCS[AX1]=2 N30240 $MA_ENC_TYPE[1,AX1]=4 N31000 $MA_ENC_IS_LINEAR[1,AX1]=1 N31010 $MA_ENC_GRID_POINT_DIST[1,AX1]=0.02 型号来定 N31040 $MA_ENC_IS_DIRECT[1,AX1]=1 N32110 $MA_ENC_FEEDBACK_POL[1,AX1]=-1 N34060 $MA_REFP_MAX_MARKER_DIST[1,AX1]=500 MD34200 ENC_REFP_MODE=0 MD34102 REF_SYNC-ENC=1 MD1030=18H 标定的步骤：和802D 一样 第二测量回路生效 第二测量回路生效 光栅尺分辩率 ；两个零脉冲之间的差值：两个零脉冲之间的距离；找参考点的最大距离=1 光栅尺与机床反方向 // 根据光栅尺的
光栅与编码器介绍 位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中以编码器，光栅尺，旋转变压器，测速发电机等比较普遍，下面主要对光栅和编码器进行说明。 光栅,现代光栅测量技术 简要介绍： 将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。下面针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有A相、B 相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。 一、栅式测量系统简述 从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m 达到30m和100m。 二、光栅测量技术发展的回顾 计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Moire fringes），1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。 德国Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4μm（250线/mm）的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为20μm（50线/mm）的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标
光栅尺安装及使用注意事项 光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。 光栅尺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、光栅尺线位移传感器安装基面 安装光栅尺传感器时，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、光栅尺线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：
光栅尺的应用与原理 光栅尺的结构是由有刻有窄的等间距的线纹标尺光栅和读数头组成，读数头是由刻有与标尺光栅光刻密度相同好的指示光栅、光学系统和光路原件等组成。标尺光栅与尺度光栅与一定间距平行放置，并且他们的刻度线相互倾斜一定角度@，标尺光栅固定不动，指示光栅沿着垂直线条纹方向运动，光线照在标尺光栅上放射或者投射在指示光栅并发生光的衍射，产生明暗相间的莫尔条纹，光电探测器检测莫尔条纹的宽度变化并将其转换成电信号输出给控制装置。 莫尔条纹的特点： 1.莫尔条纹的移动与光栅栅距之间的移动关系，光栅移动一个条纹，莫尔条纹正好移动一 个条纹。 2.莫尔条纹的放大作用：B=W/(2SIN2/2)=W/2 主要的元件：发光LED, 标尺光栅，指示光栅，光电探测器。 光栅的选用：选用光栅要综合考虑一下几个要素： 1.考虑被测物理量的性质，要根据呗测量的行程和精度要求选择量程和精度，根据被测量 的最大速度确定光栅尺的最大移动速度以及是否需要基准标记和相位开关传感器，要什么形式的光栅。 2.根据控制器可以控制的信号的类型选择光栅输出类型，还要考虑接口的硬件匹配。 3.根据工作条件确定光栅尺应具备在何种环境下工作的能力 4.根据被测的物体考虑安装方案。考虑到空间，方向等问题。 5.设计电缆的长度 6.价格和服务 7.市场的方便，型号的选择。 光栅的主要技术参数： 分辨率：表征的测量精度，有5.0um ，1.0um ,0.5um ,0.1um 输出波形：方波和正弦波两种。 按控制的形式：数字量和模拟量，要与控制器匹配。 测量周期：没测一次所需的时间 测量长度：可以应许的测量范围 测量方式：绝对值和识字增量坐标 使用温度：5----45度 供电电源：一般为+5+5%，电流大小为120mA 最大移动速度：要大于要求值 最小时钟频率：要保证控制器的频率高于要求值。 安装： 把光栅尺贴在平台的固定部分上。安装要用专用工具，保证光栅的安装合付要求（水平度、垂直度）。 读数头要安装在平台的移动部分上。在安装光栅尺时要先安装光栅尺，然后根据光栅尺安装读数头。保证读头与光栅尺的距离2—3mm,
光栅尺和磁栅尺的区别 光栅尺--利用光的干涉和衍射原理制作而成的传感器。当两块栅距相同的光栅叠放在一起，同时让线纹构成一微小角度，这时在平行光照射下，与刻线垂直方向上就能看到对称分布的明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，因此莫尔条纹是光的衍射和干涉作用的总效果。当光栅移动一个小栅距时，莫尔条纹随之移动一个条纹间距，这样，我们测量莫尔条纹的宽度就比测量光栅线纹宽度容易的多。此外，由于每条莫尔条纹都是由许多光栅线纹的交点组成，当线纹中有一条线纹有误差时（间距不等或倾斜），这条有误差的线纹和另一光栅线纹的交点位置将产生变化。但是，一条莫尔条纹是由许多光栅线纹交点组成，因此，一个线纹交点位置的变化，对于一条莫尔条纹来讲其影响就非常小了，所以莫尔条纹可以起到放大和平均的作用。 磁栅尺--利用磁极的原理制作而成的传感器。基尺是被均匀磁化的钢带。S和N 极均匀间隔排列在钢带上，通过读数头读取S，N极的变化来记数。 光栅尺受温度影响较大，一般使用环境在40摄士度以下。 敞开式磁栅尺容易受磁场影响，封闭式磁栅尺则无此困扰，但成本较高。 光栅尺是利用了光学原理，把尺子上分成一定密度的小段，然后拿读数头来读这些刻度段，据说是受光线的影响比较严重。 而磁尺是将尺上极化成N、S极的小段，拿相应的读数头来读，据说是受磁场影响比较严重。 光栅尺以精度见长，量程在长度0---2米范围性价比有明显优势，应用如金属切削机床、线切割、电火花、测量光学投影仪等等。因光栅尺生产工艺的原因，若测量长度超过5米，生产制造将很困难（两块玻璃尺要45°斜角对接以增加长度，用于玻璃尺镀铬机空间有限），价格会很贵。同等情况下进口光栅对工作环境的要求很高 磁栅尺以耐水耐油污耐粉尘耐震动性见长，长度在2米以上性价比优势愈加明显，并且长度越长优势越明显。磁栅尺的量程可达30米。在大型金属切削机床如大的镗床、铣床，水下测量，木材石材加工机床（工作环境粉尘很重），金属板材压轧设备（大型成套设备）等应用方面有明显优势。 球栅尺和光栅尺比较：光栅尺在3米以下的价格一般是球栅尺价格的50%，3米以上的至8米的光栅同球栅价格基本一样。8米至10米的光栅尺价格要高出球栅尺价格20%，10米至12米的光栅尺价格要高出球栅尺价格50%。从短尺价格比较光栅尺要便宜，但光栅的使用寿命一般是3年，而球栅的使用寿命在10年以上。从长尺比较球栅的优势就更多了。所以总体说安装球栅尺的效益要好于光栅尺。 安装球栅尺的好处：安装球栅尺从真正意义上说，是从被动测量向主动测量转变。由离线测量转向在线测量。大大提高了产品的加工精度和工作效率，实现了二级工可以干八级工的工作。由于球栅尺最长可以做到30米，所以特别适合安装在大型或超大型机床上。如龙门铣床、镗床等。一般机床安装球栅尺后可
光栅尺的选型安装与 调试D E M O
一、线性光栅尺选型 二、 三、(1)准确度等级的选择数控机床配置线性光栅尺是了 提高线性坐标轴的定值精度、再复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的，光栅尺准确度等级有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我们在设计数控机床时根据设计精度要求来选择准确度等 级，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，它是机床工作精确度的关键环节，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致，以克服由于温度引起的热变形。四、 五、另外光栅尺最大移动速度可达120m/min，目前可完全 满足数控机床设计要求；单个光栅尺最大长度为 3040mm，如控制线性坐标轴大于3040mm时可采用光栅尺对接的方式达到所需长度。 六、 七、(2)测量方式的选择光栅尺的测量方式分增量式光栅 尺和绝对式光栅尺两种，所谓增量式光栅尺就是光栅扫描头通过读出到初始点的相对运动距离而获得位置信 息，为了获得绝对位置，这个初始点就要刻到光栅尺的标尺上作为参考标记，所以机床开机时必须回参考点才
能进行位置控制。而绝对式光栅尺以不同宽度、不同问距的闪现栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息，不需要移动坐标轴找参考点位置，绝对位置值从光栅刻线上直接获得。 八、 九、绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高20％左右，机床 设计师因考虑数控机床的性价比，一般选用增量式光栅尺，既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的，机床在停机或故障断电后开机可直接从中断处执行加工程序，不但缩短非加工时间提高生产效 率，而且减小零件废品率。因此在生产节拍要求格或由多台数控机床构成的自动生产线上选用绝对式光栅尺是最为理想的。 十、 十一、(3)输出信号的选择光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差动矩形波信号四种，虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标轴的定位精度、重复定位精度没有影 响，但必须与数控机床系统相匹配，如果输出信号的波形与数控机床系统不匹配，导致机床系统无法处理光栅
位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中以编码器，光栅尺，旋转变压器，测速发电机等比较普遍，下面主要对光栅和编码器进行说明。 光栅,现代光栅测量技术 简要介绍： 将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。下面针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有A 相、B相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。 一、栅式测量系统简述 从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。 二、光栅测量技术发展的回顾 计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Moire fringes），1874年由英国物理学家 L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫
海德汉光栅尺的安装流程及注意事项 海德汉光栅尺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、海德汉光栅尺线位移传感器安装基面 安装光栅尺传感器时，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、海德汉光栅尺线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、光栅尺线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、光栅尺线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、光栅尺线位移传感器检查 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
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/a017169914.html, STM32编码器在光栅尺测速场合的实际应用 作者：邓军 来源：《科技创新与应用》2013年第08期 摘要：STM32103F系列微控制器的定时器有一种特有工作模式——编码器接口模式，此模式可以用来反馈马达的实时转子位置，测量马达的转速，也可以反馈光栅尺的实时位置，测量光栅头的移动速度，在工业控制场合，尤其是需要精确定位的压机、机床等使用场合，有着非常实用的价值。现以STM32103F微控制器与海德汉（HEIDENHAIN）光栅尺LS1378C为例，详细介绍定时器的编码器工作原理，以及双定时器配合测速度的编程算法。 关键词：STM32编码器；光栅尺；测速 STM32103F系列是ST公司采用高性能的32位ARM Cortex-M3内核，主要面向工业控制领域推出的微控制器芯片。通用定时器有以下几种工作模式：计数器模式、输入捕获模式、输出比较模式、PWM模式、单脉冲模式、编码器接口模式。其中，编码器接口模式是一种有别于其他通用ARM控制器以及DSP控制器的特有模式，此模式可以用来反馈马达的实时转子位置，测量马达的转速，也可以反馈光栅尺的实时位置，测量光栅头的移动速度，在工业控制场合，尤其是需要精确定位的压机、机床等使用场合，有着非常实用的价值。 光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。 在这里需要说明的是，光栅尺只是一个反馈装置，它可以将位移量和位移方向通过脉冲信号输出的方式反馈出来，但它不能直接显示出来，它还需要一个显示装置，比如通过CPLD来识别，或者本文中的微控制器STM32103F来识别。光栅尺的输出信号为相位角相差90°的两 路方波信号，如果A路超前B路90°，表示光栅尺在正向移动，反之，A路落后B路90°，表示反向移动。这两路方波信号都为差分信号，需要经过差分输入芯片，比如TI的MC3486， 转化为TTL电平的方波之后，才能进定时器的输入引脚。此例中接入的是TIM3-CH1和 TIM3-CH2两个引脚。 海德汉LS1378C为增量式直线光栅尺，量程220mm，信号周期1um，即一个方波对应 1um，经后续电子设备进行4分频之后测量步距为0.25um。直观来说，STM32103F识别到一个周期的方波脉冲，计数器增长4次，表示光栅尺移动了1um。
旋转编码器与光栅尺 位置检测装置作为传动控制的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与控制装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高机械装置的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中以旋转编码器，线性编码器（光栅尺、磁栅尺），旋转变压器，测速发电机等比较普遍，其中编码器是各类机械最常用的检测装置之一，用编码器作为信号检测的方法，已经广泛用于数控机床、纺织机械、冶金机械、石油机械、矿山机械、印刷包装机械、塑料机械、试验机、电梯、伺服电机、航空、仪器仪表等工业自动化领域。编码器种类繁多，不同的行业用户对编码器的参数、规格要求各不相同。 编码器以读出方式来分，有接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。 编码器以检测原理来分，有光学式、磁式、感应式和电容式。 编码器以测量方式来分，有直线型编码器（光栅尺、磁栅尺），旋转型编码器。 编码器以信号原理（刻度方法及信号输出形式）来分，有增量型编码器，绝对型编码器和混合式三种。 一、增量型编码器（旋转型） 1、工作原理： 光学编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，当圆盘旋转一个节距时，在发光元件照射下，光敏元件得到A，B信号为具有90度相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得到的输出方波，A相比B相导前90度，其电压幅值一般为5V。设A相导前B相时为正方向旋转，则B相导前A相时即为负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别编码器的的正转与反转，C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，可获得编码器的零位参考位。AB相脉冲信号经频率—电压变换后，得到与转轴转速成比例的电压信号，便可测得速度值及位移量。 磁性编码器是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，它是随着光学编码器的发展而发展起来的。光学编码器的主要优点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，而磁性编码器不易受尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快（达500～700kHz），体积比光学式编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。在高速度、高精度、小型化、长寿命的要求下，在激烈的市场竞争中，磁性编码器以其突出特点而独具优势，成为发展高技术产品的关键之一。 磁性编码器原理是通过磁力形成脉冲列，产生信号，其特征为将未硫化的橡胶中混合稀土类磁性粉末形成磁性橡胶坯子，硫化粘附在加强环（1）上，形成磁性橡胶环（2），在该磁性橡胶环上以圆周状交替着磁，产生S极和N极。同时采用新型的SMR（磁敏电阻）或霍尔效应传感器作为敏感元件，信号稳定、可靠。此外，采用双层布线工艺，还能使磁性
介绍一下开环控制系统和闭环控制系统吗？若在机床上用闭环控制系统有哪些优缺点？还有光栅尺磁栅尺的优缺点及特长，通常磁栅尺光栅尺在哪些地方应用？ -------------------------- 回复如下：（经整理） 控制系统大致分类：按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 1)开环控制系统 开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2)闭环控制系统 闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。 3)开环、闭环控制系统的各自特点： 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都相对比较差。 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。通常大多数重要的自动控制系统都采用闭环控制的方式。 闭环控制系统按控制和测量信号的不同，又可分为连续控制系统和离散控制系统。控制信号连续地作用于系统的，称为连续控制系统。控制信号断续地作用于系统的，称为离散控制系统。此外，在工程中，自动控制系统也有按所控制变量的物理属性进行分类，如速度、位置、压力、温度、流量、液位等等。 4)闭环控制系统的应用 自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等等。 应用例子有很多，人类使用自动装置的历史可以追溯到古代。中国古代的指南车和铜壶滴漏，古罗马人家庭水管系统的简单水位调节装置都是自动控制系统的萌芽。
光栅尺安装说明 郑重声明！！！ （此安装步骤仅供参考，由于机床结构不同，安装时要灵活运用。按照此步骤安装所引起的光栅尺损坏，本公司概不负责。本说明的最终解释权归本公司所有）。 1：铣床X轴安装步骤： 铣床X轴的工作行程最长，一般情况下，为便于操作。光栅尺体安装在工作合的内侧面上。读数头安装在横拖板内侧面上。 铣床X轴安装步骤如下： （1）：选位 摇动机床横向手轮，使X轴归正，，负方向达到最大行程，确定尺身和读数头的位置。清洁机床安装部位。 （2）：画线 用卡尺量出工作台厚度80mm。工作台上表面为基准面，距上表面60mm 处画线，距上表面87.5mm处画线交横拖板的垂直平分线于一点，交点为圆心30mm为半径画线，将光栅尺身贴在安装面上，尺身底面与工作台底面平齐。画出两安装孔位置。（见图1.1） （3）：钻孔，攻丝 用D4.2的钻头钻尺身两安装孔和读数头两安装孔。深度15mm。用M5的丝锥攻尺身两安装孔和读数头两安装孔。深度10mm。表面去毛刺，去污迹。 （3）：安装尺身 用M5×15的螺钉连同弹簧垫圈，平垫圈安装尺身。（见图1.2）
图1.1 图1.2 （5）：检测 调校光学尺高低和水平时，必须以光学尺的长度中心取两边对称点作为调校基准点，任一光学尺不论在调校高低和水平方向时，最后调节范围对尺身而言，以表头距尺身两端距离各不超过20mm为准，对读数头而言，在两个四方基准面之间。（见图1. 3） 检测高低和水平方向相对于机床导轨平行度小于0.15mm。（见图1. 4）
图1. 4 （6）：安装读数头。 用M5×35螺钉，弹簧垫圈，平垫圈固定读数头。要求读数头和尺身高低方向间隙在1.2-1.5mm。（见图1.5）
光栅、编码器基本知识 位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中以编码器，光栅尺，旋转变压器，测速发电机等比较普遍，下面主要对光栅和编码器进行说明。 光栅,现代光栅测量技术 简要介绍： 将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。下面针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有A相、B 相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。 一、栅式测量系统简述 从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m 达到30m和100m。 二、光栅测量技术发展的回顾 计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Moire fringes），1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。 德国Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4μm（250线/mm）的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为20μm（50线/mm）的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标
光栅尺位移传感器原理简介及维护注意事项 一、光栅尺是什么？ 轨道旁边的黄色金属条，与其对 应部位，在移载台底部装有光读 头 定义： 光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。 光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作 直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大， 检测精度高，响应速度快的特点。 二、光栅尺的分类、构造 1）分类： 光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。 ●透射光栅指的玻璃光栅. ●反射光栅指的钢带光栅 2）结构： 光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机 床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。下图所示的 就是光栅尺位移传感器的结构。
三、光栅尺的工作原理？ 常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。（关于莫尔条纹的原理，可参考相关文献） 简单的说：光读头通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。 莫尔条纹 四、光栅尺的维护 1）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅尺传感器壳体内部。 2）定期检查各安装联接螺钉是否松动、定期使用干燥的洁净布擦拭表。 3）光栅尺位移传感器严禁剧烈震动及摔打、踩踏，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光
栅尺传感器即失效了。 4）不要自行拆开光栅尺位移传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅尺传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。 5）应注意防止油污及水污染、硬物划伤光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。 6）光栅尺位移传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。