結(jié)構(gòu)

光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成,。標(biāo)尺光柵一般固定在機床固定部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機床活動部件上,，指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中,。右圖所示的就是光柵尺的結(jié)構(gòu)。

光柵檢測裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數(shù)頭,，它由光源,、會聚透鏡、指示光柵,、光電元件及調(diào)整機構(gòu)等組成,。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭,、鏡像式讀數(shù)頭,、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭）,。

工作原理

莫爾條紋

以透射光柵為例,，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ，并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時,，在光源的照射下,，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋,。這種條紋稱為“莫爾條紋”(右圖所示),。嚴(yán)格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直,。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度,，以W表示,。

W=ω/2*sin（θ/2）=ω/θ。

莫爾條紋具有以下特征：

(1)莫爾條紋的變化規(guī)律

兩片光柵相對移過一個柵距,，莫爾條紋移過一個條紋距離,。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù),，變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步,。

(2)放大作用

在兩光柵柵線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω,、柵線角θ之間有下列關(guān)系,。式中，θ的單位為rad,，W的單位為mm。由于傾角很小,，sinθ很小,，則

W=ω/θ

若ω=0．01mm，θ=0.01rad,，則上式可得W=1,，即光柵放大了100倍。

(3)均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成,，例如每毫米100線的光柵,，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了,，消除了由于柵距不均勻,、斷裂等造成的誤差。

檢測與數(shù)據(jù)處理

電子細(xì)分與判向法

光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)行測量,。高分辨率的光柵尺一般造價較貴,，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率,，需要對莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分,，光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時,，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋,，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動,。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量,。

在一個莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個光電器件就能實現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能,。例如,，柵線為50線對/mm的光柵尺,，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計數(shù)脈沖,，這在工業(yè)普通測控中已達(dá)到了很高精度,。由于位移是一個矢量，即要檢測其大小,，又要檢測其方向,，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾,、直流分量和偶次諧波,，通常采用由低漂移運放構(gòu)成的差分放大器。由4個光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端,，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2,，為得到判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號進(jìn)行整形,，首先把它們整形為占空比為1：1的方波,。然后，通過對方波的相位進(jìn)行判別比較,，就可以得到光柵尺的移動方向,。通過對方波脈沖進(jìn)行計數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度,。

安裝指導(dǎo)

光柵尺線位移傳感器的安裝比較靈活,，可安裝在機床的不同部位。

一般將主尺安裝在機床的工作臺（滑板）上,，隨機床走刀而動,，讀數(shù)頭固定在床身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方,。其安裝方式的選擇必須注意切屑,、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時,，則必須增加輔助密封裝置,。另外，一般情況下,，讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對機床靜止部件上,，此時輸出導(dǎo)線不移動易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對機床運動的部件上（如滑板）,。

1,、光柵尺線位移傳感器安裝基面

安裝光柵尺傳感器時，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床身上,，更不能安裝在打底涂漆的機床身上,。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上,。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上,，移動工作臺,，要求達(dá)到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。如果不能達(dá)到這個要求,，則需設(shè)計加工一件光柵尺基座,。

基座要求做到：(1)應(yīng)加一根與光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出光柵尺50mm左右）。(2)該基座通過銑,、磨工序加工,，保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內(nèi)。另外,，還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座,。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時,，調(diào)整讀數(shù)頭位置,，達(dá)到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右,。

2,、光柵尺線位移傳感器主尺安裝

將光柵主尺用M4螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上,，但不要上緊,，把千分表固定在床身上，移動工作臺（主尺與工作臺同時移動）,。用千分表測量主尺平面與機床導(dǎo)軌運動方向的平行度,，調(diào)整主尺M(jìn)4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時,，把M2螺釘徹底上緊,。

在安裝光柵主尺時，應(yīng)注意如下三點：

(1)在裝主尺時,，如安裝超過1.5M以上的光柵時,，不能象橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個主尺尺身中有支撐,。(2)在有基座情況下安裝好后,，最好用一個卡子卡住尺身中點（或幾點）。(3)不能安裝卡子時,，最好用玻璃膠粘住光柵尺身,，使基尺與主尺固定好。

3,、光柵尺線位移傳感器讀數(shù)頭的安裝

在安裝讀數(shù)頭時,，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達(dá)到安裝要求,，然后再安裝讀數(shù)頭，其安裝方法與主尺相似,。最后調(diào)整讀數(shù)頭,，使讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內(nèi),，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以內(nèi),。

4、光柵尺線位移傳感器限位裝置

光柵線位移傳感器全部安裝完以后,，一定要在機床導(dǎo)軌上安裝限位裝置,，以免機床加工產(chǎn)品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺,。另外，用戶在選購光柵線位移傳感器時,，應(yīng)盡量選用超出機床加工尺寸100mm左右的光柵尺,，以留有余量。

5,、光柵尺線位移傳感器檢查

光柵線位移傳感器安裝完畢后,，可接通數(shù)顯表，移動工作臺,，觀察數(shù)顯表計數(shù)是否正常,。

在機床上選取一個參考位置,，來回移動工作點至該選取的位置,。數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)相同（或回零）,。另外也可使用千分表（或百分表）,，使千分表與數(shù)顯表同時調(diào)至零（或記憶起始數(shù)據(jù)）,，往返多次后回到初始位置,，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據(jù)是否一致,。

通過以上工作，光柵尺線位移傳感器的安裝就完成了,。但對于一般的機床加工環(huán)境來講,，鐵屑,、切削液及油污較多,。因此，傳感器應(yīng)附帶加裝護(hù)罩,，護(hù)罩的設(shè)計是按照傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定,，護(hù)罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。

使用注意事項

（1）光柵尺傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時應(yīng)關(guān)閉電源后進(jìn)行,。

（2）盡可能外加保護(hù)罩,，并及時清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴(yán)格防止任何異物進(jìn)入光柵尺傳感器殼體內(nèi)部,。

（3）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動,。

（4）為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油,，注意勿濺落在玻璃光柵刻劃面上,。

（5）為保證光柵尺傳感器使用的可靠性,，可每隔一定時間用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔,。

（6）光柵尺傳感器嚴(yán)禁劇烈震動及摔打,，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂,，光柵尺傳感器即失效了,。

（7）不要自行拆開光柵尺傳感器，更不能任意改動主柵尺與副柵尺的相對間距,，否則一方面可能破壞光柵尺傳感器的精度,；另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線,，以而造成光柵尺報廢,。

（8）應(yīng)注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布,，引起測量誤差,。

（9）光柵尺傳感器應(yīng)盡量避免在有嚴(yán)重腐蝕作用的環(huán)境中工作，以免腐蝕光柵鉻層及光柵尺表面,，破壞光柵尺質(zhì)量,。

總結(jié)

合理選取光柵尺，正確使用使其物盡其能,；也有互相矛盾的一面,，安裝位置既要盡可能靠近驅(qū)動軸線，又要盡量遠(yuǎn)離機床的發(fā)熱源(如絲杠副),，這就要看機床設(shè)計師,，怎樣兼顧折衷考慮各方面因素，綜合考慮光柵尺選型,、設(shè)計,、安裝、捌試等因素,，得到比較合理的性價比,，勢必取得比較好的控制檢測效果。通過以上幾個步驟的調(diào)試,，一臺數(shù)控機床一般都能獲得很好的位置精度(定位精度,、重復(fù)定位精度)，達(dá)到機床設(shè)計要求,，能很容易滿足用戶的需求，對數(shù)控機床的制造廠家和使用用戶有著非凡的現(xiàn)實意義。