传感与检测技术-项目二 光栅传感器在数控机床位移

任务一光栅传感器的识别、检测和选用１.光栅在玻璃基体上刻有均匀分布的细小条纹,这些条纹黑白相间、间隔相同,没有刻划的白的地方透光,刻划的发黑,不透光,这就是光栅,如图５-５所示.光栅是一种新型的位移检测元件,是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置,有长光栅和圆光栅两种.其特点是测量精确度高(可达±１μm)、响应速度快、量程范围大(一般为１~２m,连接使用可达到１０m)及可进行非接触测量等.因其易于实现数字测量和自动控制,故广泛用于数控机床和精密测量中.下一页返回任务一光栅传感器的识别、检测和选用２.光栅传感器的结构光栅传感器的结构如图５-６所示,主要由光源、标尺光栅、指示光栅和光电元件组成.通常,标尺光栅和被测物体相连,随被测物体的直线位移而产生位移.一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的,刻线之间的距离w称为栅距.光栅条纹密度一般为每毫米２５条、５０条、１００条、２５０条等.在测量时,一般指示光栅固定不动,标尺光栅随测量工作台(或主轴)一起移动.但在使用长光栅尺的数控机床中,标尺光栅往往固定在床身上不动,而指示光栅随拖板一起移动.标尺光栅的尺寸常由测量范围确定,指示光栅则为一小块,只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可.上一页下一页返回任务一光栅传感器的识别、检测和选用３.光栅传感器的检测原理１)莫尔条纹将栅距w相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起,并且使二者栅线有很小的交角θ,这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹,称为莫尔条纹,如图５-７所示.莫尔条纹具有以下特点:(１)莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例.当指示光栅不动,标尺光栅左右移动时,莫尔条纹将沿着垂直于栅线的方向上下移动;光栅每移动一个栅距w,莫尔条纹就移动一个条纹间距B,查看莫尔条纹的移动方向,即可确定主光栅的移动方向.上一页下一页返回任务一光栅传感器的识别、检测和选用(２)莫尔条纹具有位移放大作用.莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角θ之间的关系为式中,θ的单位为rad,B和w的单位为mm.因此莫尔条纹的放大倍数为可见,θ越小,放大倍数越大.实际应用中,θ角的取值范围很小.例如,当θ＝１０′时,K＝１/θ＝１/０.０２９rad≈３４５rad.上一页下一页返回任务一光栅传感器的识别、检测和选用也就是说指示光栅与标尺光栅相对移动一个很小的距离w时,若w＝０.０１mm,把莫尔条纹的宽度调成１０mm,即利用光的干涉现象把光栅间距放大１０００倍,得到一个很大的莫尔条纹移动量,可以通过测量条纹的移动来检测光栅微小的位移,从而实现高灵敏度的位移测量,因而大大降低了电子线路的负担.(３)莫尔条纹具有平均光栅误差的作用.莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成,它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置,对各栅距误差起了平均作用,减弱了光栅制造中的局部误差和短周期误差对检测精度的影响.上一页下一页返回任务一光栅传感器的识别、检测和选用２)光栅传感器测量位移的工作原理在利用光栅传感器测量位移时,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)进行相对移动的,标尺光栅固定在机床不动部件上,长度等于工作台移动的全行程,指示光栅固定在机床移动部件上,标尺光栅和指示光栅保持一定间隔,并在自身的平面内转一个角度θ,如图５-７所示.当光源以平行光照射光栅时,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,即莫尔条纹.由式(５-１)可知,直线位移反映在光栅的栅距上,当光栅移动一个栅距,莫尔条纹相应移动一个纹距.上一页下一页返回任务一光栅传感器的识别、检测和选用根据光栅移动与莫尔条纹移动的对应关系,经过光电器件转换使黑白相间(或明暗相间)的条纹(光强信号)转换成呈正弦波变化的电压信号,再经过放大器放大、整形电路整形后,得到两路相差为９０°的正弦波或方波.由此可知,每产生一个方波,就表示光栅移动了一个栅距,最后通过逻辑电压转换电路变为一个窄脉冲,这样就变成了由脉冲表示栅距,通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离.光栅传感器测量位移的工作原理如图５-８所示.上一页返回任务二光栅传感器的位移检测电路制作由于长光栅输出的是数字信号,便于与数控系统连接,而且精度较高,因此在数控机床中得到了广泛应用.本任务是利用光栅传感器构成一个检测直线位移的检测电路,所使用的传感器如图５-９所示,与其配套的试验模块如图５-１０所示.返回任务三光栅传感器的位移检测电路调试调试方法与步骤：(１)将光栅传感器和光栅传感器试验模块接通电源(１５V,５V).(２)将采集卡的地线接到电源地,采集卡接口D０１~D０４分别接到图５-９光栅传感器“步进电动机驱动模块”的A、B、C、D.光栅传感器输出通过一根排线接到图５-１０光栅传感器试验模块的“光栅传感器输入—线位移”,打开固定电源开关.下一页返回任务三光栅传感器的位移检测电路调试(３)通过USB数据线将数据采集卡与计算机相连,并打开虚拟示波器,在弹出的窗口中单击“电动机控制”,弹出“电动机控制”对话框,在“设置单位步长”对话框中输入表５-４所示的单位步长时间,“控制方式”选择步进电动机,按电动机“启动”键,步进电动机开始旋转,并带动丝杠一起旋转,螺母随着丝杠的旋转开始做直线运动,产生位移,光栅传感器检测后,在光栅传感器试验模块上显示其位移量,启动３０s后,按电动机“停止”键,并记录下３０s内丝杠螺母的直线位移量.

(４)按照表５-４改变“设置单位步长”的单位步长时间,控制步进电动机转动的速度,并记录３０s内丝杠螺母的直线位移量.(５)实