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    德國HEIDENHAIN海德漢光柵尺是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置

HEIDENHAIN光柵尺，也稱為HEIDENHAIN光柵尺位移傳感器（HEIDENHAIN光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。HEIDENHAIN光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動誤差的作用。HEIDENHAIN光柵尺按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。

HEIDENHAIN光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。圖1所示的就是HEIDENHAIN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(jī)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(diǎn)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）。

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(gè)小角度θ，并且兩個(gè)HEIDENHAIN光柵尺刻面相對平行放置時(shí)，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” (圖2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(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)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(shí)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HEIDENHAIN光柵尺一般造價(jià)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，HEIDENHAIN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(shí)，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(gè)數(shù)的測量。

在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。例如，柵線為50線對/mm的HEIDENHAIN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(jì)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(gè)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(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)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(jì)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HEIDENHAIN光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到HEIDENHAIN光柵尺的位移和速度。

HEIDENHAIN光柵尺線位移傳感器的安裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位。

一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺（滑板）上，隨機(jī)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(shí)，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(jī)床靜止部件上，此時(shí)輸出導(dǎo)線不移動易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對機(jī)床運(yùn)動的部件上（如滑板）。

1、HEIDENHAIN光柵尺線位移傳感器安裝基面

安裝HEIDENHAIN光柵尺傳感器時(shí)，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機(jī)床身上，更不能安裝在打底涂漆的機(jī)床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對運(yùn)動的兩個(gè)部件上。用千分表檢查機(jī)床工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)軌運(yùn)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(gè)要求，則需設(shè)計(jì)加工一件HEIDENHAIN光柵尺基座。

基座要求做到：(1)應(yīng)加一根與HEIDENHAIN光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出HEIDENHAIN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(shí)，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達(dá)到讀數(shù)頭與HEIDENHAIN光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)頭與HEIDENHAIN光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。

2、HEIDENHAIN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(jī)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(shí)移動）。用千分表測量主尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動方向的平行度，調(diào)整主尺M4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時(shí)，把M2螺釘上緊。