数显技术和光栅检测原理.doc

数显技术和光栅传感器测量基本原理我们用一句最简单的话讲，数显技术是通过栅式测量传感器做位置精密检测，也就是所谓的位置测量。位置测量的意义：位置测量主要是指长度和角度的测量，长度和角度是两个极为重要的物理量，长度是国际单位制的七个基本物理量之一( 国际单位制的七个基本物理量是：长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量和发光强度 ) ， 而角度通常是指平面角（弧度是角度的辅助单位）。时间和空间是物质存在的基本形式，一切物体，大到天体、山川、城市，小到舰船、航天器，飞机、车辆，只有它存在 (静止或运动) 就有其位置 (方位、距离、经纬度)，也就是位置测量的问题，在机械制造行业，长度和角度测量又是几何量测量的重要内容，越是高度工业化的国家那么用于测量任务的劳动力占的比例越大，其中大部分又是用来作几何变量的检测。传统的观念认为，测量是在耗资的项目，只有加工过程才是创造价值，新的观念认为测量和加工一样都是增值的重要组成部分。特别要强调的是精密测量技术是精密加工发展的基础和先决条件之一，由于有了千分尺类量具，加工精度达到0.01mm,有了测微比较仪，加工精度达到1m，有了圆度仪，加工精度达到0.1m，有了激光干涉仪，加工精度达到0.01m，国际上机床的加工水平已能稳定达到1m左右，正在向着稳定精度为（加工水平）0.10.01m去发展，表面粗糙度的测量正在向着0.001m水平去发展，纳米技术正在形成新的技术热点。如果说零件本身是硬件，测量的结果是获得软件则为确定被测对象的量值而进行实验的过程量数据，过去是被动的，事后的尺寸检验让符合标准的产品出厂，今后的自动化生产将越来越表现为通过对设备、工具和环境的严密控制。预先决定产品的质量，主动的和在线的测量对产品质量保证具有决定性的重要意义。它使产品达到了更高的可靠性和精度，并具有互换性。机械加工和生产流程中的在线检测与控制技术把产品中的废品消灭在萌芽状态，以力保产品做到全部合格。而新观念的实现依赖于前述新型位置测量系统在内的各种测量系统的发展，按其本身的精度又依赖于长度、角度、圆度、几何精度等基础机械技术，其中长度、角度测量技术的关键是位置测量元件的精度及其读出精度。1、位置检测与数显技术的发展：一个世纪以来，计量光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅、电阻栅等新型检测元件先后出现，几乎“光、电感、电磁、电容、电阻”等物理量都应用于数显测量技术，这几种检测元件和与之相配的的数字系统，有其相似的特点和优点。、都易于实现位置/电信号的转换。、 高分辨率直线位置测量的分辨率可达 0.001mm， 最高可达0.1m，角位置测量的分辨率可达0.5”， 最高可达0.36”。、 高精度准确度 直线 0.010.03mm，(普通机床) 最高0.003mm准确度圆6”10”，最高1”(精密转台)、 大量程采用接长的方法，可以扩大量程，而钢带检测元件的长度也可以达到大量程，单根钢带计量光栅的首段达54m，单根磁栅的长度能达到30m，直线感应同步器则可接长使用到40m。，现代制造工艺可做出薄至1.5mm，长度为3m的整体微型玻璃标尺光栅，因此小至精密仪器，大至超重型机械均可采用。、安装调整容易，无磨损，寿命长，小型化，组装化，测量速度高，多功能等。以上是他们的共同之处，但他们各有各的特色和不同之处，下面简单介绍一下这方面的情况。容栅- 制作简单，但是受温度影响比较大，精度低只有0.05mm。如果想要做得好，成本就会很高，但有一个优点，现在广泛用于数显量具，用容栅做检测元件，通过导电橡胶与CMOS大规模集成电路相连和用液晶显示，结构精巧，体积与传统量具差不多，但功能增多，工作速度高，耗电量很小，可靠性却大大的提高。领军企业有日本的三丰，中国的广陆。电阻栅-制作简单，但是受温度影响比较大，精度低只有0.1mm。其优点像铸塑机上用的电阻尺，如果停电，开机时马上就知道数值-绝对式的测量。磁栅- 栅距是0.2mm到0.005mm的显示需要40倍电子细分，细分数不是很高，精度高，热膨胀系数与钢材一样，能还原精度，像轧制很薄的冷轧板都是用磁栅检测器。其特点是精度高，成本高，像日本的索尼公司就做得很好，占有磁栅市场的60%。球栅-栅距是12.7mm到0.005mm的显示需要2540倍电子细分，细分数很高，所以精度就不高，成本低，能还原精度，抗污染，抗恶劣环境，包括强辐射环境。可浸在水中，油压中，或在铁屑中，由于是全封闭的金属结构，可以承受一定的碰撞，冲击和振动，前提是机床要求精度不高时有其优点。工作的原理和磁栅相似。最为著名的生产厂家有英国的新和（NEWALL）电子公司。.光栅- 栅距是0.02mm到0.005mm的显示精度需要4倍频电子细分，细分数是很低，精度很高，制作成本相对比较低，现已占据长度位移传感器市场的80%以上，但是由于玻璃热膨胀系数与钢材不一致，制作时有温度要求，在20C 恒温时此项误差可排除（玻璃线胀系数8m/m，钢材线胀系数10-12m/m）。另外，玻璃光栅容易碎，这些是其的缺点。长玻璃光栅可用接长的方法或用不锈钢带来制作。最具代表性的是具有120多年光刻制造技术的德国海德汉公司（HEIDENHAIN）。位置测量与数显技术的迅速发展与精密机械工程和电子技术的发展密不可分，象我们公司光栅尺的应用基础是摩尔(莫尔)条纹特性，其实在1874年物理学家瑞利就已发现了这一重要现象，但直到八十多年以后，上世纪50年代，随着光栅复制技术和电子技术的发展才得到实际应用。而在50年代60年代，由于电子装置可靠性低，玻璃的制造工艺落后，数显技术发展较慢。70年代中，大规模集成电路和微机的产生，普及和应用数显技术进入了一个全新的时代，80年代以后数显装置体积缩小，性能提高，功能日趋完善，成本降低，可靠性提高，出现了快装整体盒式结构，使数显技术迅速普及，象数显卡尺、千分尺、百分表、高度尺等多种数显量具。数显应用的另一重要领域是计量仪，其代表是三坐标测量机，而象我们信和的数显系统，其本身已实现了在线测量反馈控制的应用。通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号用作位置反馈信号或位置显示信号，我们知道数控机床是用数字化的信息来实现控制，具体讲是检测、定位、控制。分开环，半闭环和全闭环系统。那么全闭环数控机床是数控装置将指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号随时比较，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换得到进给伺服系统的速度指令。另一方面，还利用和伺服电机同轴刚性的测速元器件，随时实测驱动电机的转速，得到速度反馈信号，将它与速度指令信号相比较，以其比较的结果即速度误差信号，对驱动电机的转速随时进行校正，上述是两个回路的控制，一是位置控制，二是速度控制，只控制速度我们称作半闭环进给系统，现在大多数数控机床多采用半闭环进给系统，与闭环系统相比，易于实现系统的稳定性，但是它的位移精度比闭环系统的要低。光栅传感器在数控机床里是一个重要的组成部分，做位置控制，是构成全闭环的必不可少的部分，而在数显技术里只作位置检测。2、光栅检测的基本原理我们信和光栅数显有限公司的产品是以光栅传感器作长度测量装置的一个完整系统，它由两大部分组成：光栅数显表，光栅传感器。光栅传感器是直线光栅传感器，它是由标尺光栅，读数头（含指示光栅）组成。光栅测量的基本原理：我们知道光已有了300多年的研究历史，光本身是有强度的，其本身有折射、透射、反射和衍射的光学性质.我们利用光学的窄缝效应，当两例光栅发生相对运动时，全暗、全明、半明半暗，放置光敏元件，就得到了光强度的变化，栅距也就是一个周期为0.02mm时,根据公式可以计算出经过一个明暗周期光栅的位移量,当角足够小时其放大比超过1000倍，1/的值很大，好像条纹是栅线的放大像，但却不需要任何光学放大系统。在相距1/4莫尔条纹间距位置放置两个光敏元件，当莫尔条纹移动时，就得到了两路相差90度的正弦波形，得到光强度的变化，移动时及时把信号反映出来，但由于光敏元件把光的强度变成电压变化的过程中是不断变化，因为很小的电压输出（在0.5V以下）有干扰时根本无法正确读出来。这时通过整形电路，比较放大成方波以脉冲的形式输出，移动时,读出来的方波是这样的数字,0(黑)、1（白）、0（黑）、1（白），一个芯片可以计二列数，一路计数，一路判别方向，这也就是A、B相的可逆计数，两列波经处理，采样周期非常快，各自可以单独计数，来一个脉冲减一个数，脉冲的数给CPU，CPU主控协调各个方面的工作，显示模块点亮组合它，让我们从数显表上一目了然读到检测过程中的数据。我们总结以上用一句话，光栅尺属于位置检测的一种，它是靠一种莫尔条纹的放大效应，通过光电转换来实现控制。光栅检测的基本原理：由光源1，透镜2，指示光栅3，光电元件4，驱动电路5，以及标尺光栅6组成，前5个元器件安装在同一支架上，构成光栅读数头，它固定在执行部件的固定零件上，标尺光栅则安装在执行部件的被测移动零件上，当标尺光栅与指示光栅相对移动时，通过读数头的光电转换，把微弱的模拟信号变成数字信号，发送出与位移量相对应的数字脉冲信号用作位置反馈信号或位置显示信号。对于长线传输或不同需要可将产生出来的位移脉冲进行处理，一般为加驱动和差分驱动。单驱-加驱动：增加信号脉冲的电流驱动能力双驱-差分驱动：为了增强信号的抗干扰能力，多采用差分输出方式，即为一个信号输入经过反相后和原来的信号一起输出。EIA-422-A信号输出：TTL信号输出：、光栅尺光栅尺指的是标尺光栅与指示光栅，根据制造方法和光学原理不同，光栅可分透射光栅和反射光栅，透射光栅就是在经磨制的光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹，光源可从垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器的结构简单，缺点是玻璃易裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。、光栅读数头光栅读数头与标尺光栅配合起光电转换作用，将位移量转换脉冲信号输出，我们公司读数头为垂直入射读数，另外还有镜像读数头和反射读数头，反射读数头用于反射光栅。反射读数头安装时，应保证指示光栅Gi与反射光栅Gs的平行度和间隙。从光源发出的光，经透镜L1得到平行光，并以对光栅表面成角的入射角经透射指示光栅Gi投射到标尺光栅Gs的反射面上，反射回来的光信号先通过指示光栅Gi形成莫尔条纹，然后经透镜Lz由光电元件P接收。在我们所安装超过三米长的钢带做的光栅尺就是采用反射式读数头。、关于莫尔条纹有以下特点： Rayleigh于 1874 年这样叙述“如果把每英寸具有同样数目的刻线的两块光栅置于接触状态，并使他们的刻线接近于平行，则会产生一组平行的条纹，其方向等分两光栅刻线之外角，条纹间距则随刻线夹角的减小而增大。”当光栅移动时，莫尔条纹相应移动。放大作用K=1/ k为放大比，当夹角足够小时，1/的值很大，好像条纹是栅线的放大像，但却不需要任何光学放大系统。误差均化作用由于莫尔条纹是由许多根刻线共同作用形成的宏观效应，因而光栅的局部缺陷和个别栅线的偶然误差，断线和小周期误差将基本上不会影响莫尔条纹的位置精度，这样可以使栅距的节距误差得到平均化。这种由于由平均效应而改善测量精度的原理，是光栅测量与传统的标尺测量的本质不同之处，正是这种看起来简单，实质很有道理的原理，使得采用光栅测量的精度要比光栅本身的精度要高。利用莫尔条纹测量位移莫尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例，莫尔条纹变化一个周期为光电安装与信号检测提供了良好条件，此外光栅的移动方向也有固定的关系，根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向。如果其中一块光栅右移时，条纹上移，则当该光栅向左移时，条纹就下移，因此可以根据条纹移动的方向来判断光栅移动的方向。 、 光栅检测装置的位移一脉冲变换电路。在与标尺光栅刻线平行的方向上，安装四个光电元件P1P4，彼此间的距离为W/4（栅距W=0.02）,当指示光栅与标尺光栅相对移动时，四个光电池接受近似正弦规律变化的光强，产生四路频率相同，幅值相同，但相位相差/2的电压信号。这些信号送至电路，经差动放大器放大，再经过整形，使之成为两路正弦及余弦方波。然后经微分电路获得脉冲，由于脉冲是在方波的上升沿产生，为了使00，900，1800，2700的位置上都得到脉冲，所以必须把正弦和余弦方波分别各自反向一次，然后再微分，这样可得到四个脉冲。这样光栅尺即执行部件每相对移动一个光栅节距，光栅装置便发出四个脉冲，每个脉冲表示/4的位移。我们现在所用的4倍频电路对光电信号进行处理后，将光栅检测装置的读数分辨率较光栅刻线的分辨率提高了4倍。在我们公司KA系列长度线性光栅尺手册中技术参数中第一个指标是栅距0.02mm(每毫米50线)，经过电路对光电信号进行处理后，光栅刻线的分辨率已是0.005 mm，除了4倍频电路外还有8倍、10倍、20倍频等电路可用于提高光栅检测装置的分辨率。在上个世纪80年代之前电子装置可靠性低,为减轻电路负担,要求获得更高的分辨率可采用更小的栅距来实现,但是这种方法在技术上难度较多,在经济上也是不合算,细光栅刻制困难,费用也将成倍增加,栅距越小,其莫尔条纹的反差也越低,信号因光栅副间隙的变化而引起的变化也就更严重,对光学系统和机械结构的要求也愈严格,光栅传感器的极限运动速度也将降低,为此采用电子技术对光栅莫尔条纹进行细分来提高分辨率是目前应用最广的方法.经细分后,在相同的工作速度下,计数脉冲的频率相应的提高了,故习惯上又称为倍频.四倍频细分-直接细分.目前仍广泛应用于光栅测量系统,信和公司光栅传感器的分辨率有三种:0.5m, 1m,5m,完全满足了普通机床,精密仪器的需求.讲到精度,我们知道,在测量中和日常生活中常使用精度一词,实际上一般所说的精度是一个含糊的概念,从计量学的角度精度应该包含下述三个可明确区分的概念即:精密度随机不确定度，表示测量结果中的随机误差大小正确度系统确定度，表示测量系统误差的大小量程准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度，若已修正所有已定误差，准确度可用不确定度来表示。我们公司的光栅传感器的准确度有3m，5m，10m，这是在一定长度范围内的，每一把光栅尺都有激光干涉仪检测的结果，也就是我们的光栅传感器准确度误差，也可以理解为光栅尺不确定度误差的具体数值。因为不知道测量不确定度的测量结果没有意义的。测量 的精度和长度有关，也就是累积精度。提高精度的两个方法是减少硬件的误差和对误差进行补偿。在一般精度情况下，前者是经济而有效的，而在精度高的情况下，减小硬件误差的方法可能是代价昂贵，甚至无法实现，位置测量误差的主要来源有：测量系统带来的误差包括标尺误差和细分误差阿贝误差 （后面专门介绍）机械变形误差 由于机械的刚性不足，产生变形误差，该项误差常常在阿贝误差中综合反映出来。热误差 该误差是由于测量标尺材料和被测工件材料不同，且存在温度差和温度偏离标准恒温200C引起。除非是局部热温度影响，一般情况热误差是线性误差。位置测量精度的上限取决于机械（几何精度、刚性）、测量系统（精度、安装位置）和温度因素。即使不考虑温度的影响，要达到5m/1000mm的位置准确度也是很难的，因为这时阿贝误差的影响已很明显。随着数显技术和数控技术、计算机技术的发展和应用，补偿变得越来越方便，只要在显示脉冲和控制脉冲中适当地增加脉冲或减少脉冲就可实现。需要强调的是，对普通精度的机械无需加补偿。因为靠机械和测量系统本身就能保证经济地达到精度要求。此外还应指出，具有足够的重复精度是进行补偿的前提，一般说补偿脉冲的当量应该与重复误差值相当。例如，在进行位置测量时，两次测量的对应点差值和回零误差如果是5m的话，则补偿脉冲当量可取为5m。按照位置误差量存储方式，误差数据传送环节和补偿带给出方式分为四类，机械式，机电式的误差补偿方面已经作了很多努力，如微动光栅读数头，短标尺接长调整补偿法等，在这些方面似乎已经接近完美，可以改动的地方不大。其它象细分误差中的正交误差补偿采用专用互补电路方式。、零位-光栅测量系统是一种增量制的测量系统，一旦停电，停机中断运行等等，都将导致原先测量的结果被干扰，消除或出现错误，系统的可靠性较差，为了改善这种情况出现了零位记忆光栅，光栅在工作过程中提供一个固定的点，一般称它为绝对零位，以满足停电记忆，工作中寻找基准点，修正误差等，普遍应用于光栅坐标测量，如前所述，为使一旦停止工作后恢复工作时，仍能继续正常工作，在光栅副上设置了零位光栅，绝对零脉冲形成电路的目的不是为了得到零脉冲信号，而是要在相对坐标制式的光栅传感器上适应绝对坐标制式，使测量系统具有记忆功能，而又不妨碍系统的正常工作，只有当光栅尺上的零位与读数头上的零位一致时，系统会识别，一旦定零位就不会改变，机床零位是绝对零位，加工零位是相对零位。 3、 精密测量的原理和安装优先原则：在几何量精密测量中有几个重要的测量原理，即比较测量原理、长度测量中阿贝比长原理，角度测量中的正弦正切原理和圆周分度测量中的圆周封闭原则。我们重点讲阿贝比长原理。、阿贝(Abbe)原理阿贝原理的基本概念1890年德国物理学家阿贝对测量仪器的设计提出了一项指导性的原理：“只有当被测量轴线与基准轴线重合，或在其延长线上时，由于导轨的直线度或间隙引起的测量误差为最小。”这就是著名的阿贝原理，有些书上介绍更简单：“将被测物与标准尺沿测量轴线成直线排列。”也就是说：量具或仪器的标准量系统和被测尺寸应按串联的形式排列。符合阿贝原理的测量方式示意图： 1：基准线纹尺；2、3：光电显微镜；4：被测线纹尺；5：直线移动工作台；6：导轨 线纹尺1和工作台4固定在工作台上，显微镜2和3则刚性地联接成一体安装在基准上，1和4同轴。(二) 不符合阿贝原理时产生的一次误差 1=LYSin，因很小。LY，可见误差1的值与两测量轴线间距Ly和运动直线度 (导轨不直和间隙引起)的乘积成正比是一次误差。例：如果Ly=250mm，=4”=0.00002rad1=2500.00002=0.005mm对于精密机械和仪器来说，直线度为4”的导轨是很精密的导轨，而这时的阿贝测量误差大到0.005mm，是显得太大了。符合阿贝原理时只产生二次误差 图中两测量轴线重合，符合阿贝原理，测量时从图字实线位置(零)，位置右移x距离后到达虚线所在终点位置，若运动的直线度为，则测量误差为2=Lx-Lxcos=Lx (1-cos)，因为很小2= Lx (其中1- con=2（Sin/2）2=2（/2）2=2/2)误差2的值与测量长度Lx和运动不直度的二次方的乘积成正比，当不大时，其值很小，是二次误差。例：Lx=250mm，=4”=0.00002rad，则测量误差仅为2=X250X0.00002=0.00005m对于精密机械和量仪，如运动不直度为4”则在长度测量为1000mm时，所引起的二次误差也仅为0.0002mm,其值极小,完全可忽略不计.可见当机器的几何精度相同时,符合阿贝原理可以获得更高的整机精度,由此可看出阿贝原理在精密机械和量仪测量系统设计中的重要性，当结构上不可能按照阿贝原理进行串联设计时，也应尽量缩小两轴线间距和提高运动精度，以减少一次阿贝误差。在机床的测量原理中大多属于这种情形.、广义阿贝原理布莱恩广义阿贝原理经典的阿贝原理其核心是基准测量轴线应和被测轴线成直线,即串联,此时两轴线同轴LY=0,凡两轴线不成一直线的即LY=0的布置,认为不符合阿贝原理,引起一次阿贝误差1, 2不但与LY成正比,同时与成正比,因此布莱恩扩充为更具有普遍意义的叙述是这样:基准位移测量系统工作点的路程应和被测位移将固定作用点的路程位于一条直线上。如果这不可能，那么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或者必须用实际角运动的数据计算偏移的影响。这一叙述可称为广义阿贝原理,应用广义阿贝原理可以从以下三个方面考虑：A. 尽量遵守同轴串联原理，如阿贝比长仪B. 没有角运动的直线位移是不存在的，但尽量可减少角运动误差值，即提高导轨精度。C. 采用各种误差补偿方法来补偿一次阿贝误差，这一点是进行阿贝误差补偿的理论根据。我们知道栅式测量也是绝对测量和相对测量的结果，通过以上我们知道依阿贝原理，我们的测量系统存在阿贝一次误差，只是随着不同的状况，误差值不是绝对的，由于机床本身具有的误差，工件装夹的误差，测量系统的误差，安装的误差。下面讲一个实例：T4280型双柱立式数显坐标镗，示意图如下：在水平面内：Ly=248mm在垂直面内：Lx=526mm若工作台运动在水平面内和垂直面内的直线性Y=x=4”=0.00002rad，则在水平面内的一次阿贝误差 1. 基准尺安放位置2. 纵向移动工作台3. 测量元件安装位置4. 数显表y=Ly=0.0050mm，在垂直面内的一次阿贝误差x=Lx=0.0105mm，合成的一次阿贝误差：1= =0