光栅测量系统的几个关键问题
1、测量准确度(精度)
光栅线位移传感器的测量准确度,首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量(栅线边沿清晰至关重要),其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差。影响光栅尺测量准确度的是在光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差。
光栅尺的准确度(精度)用准确度等级表示,Heidenhain定义为:在任意1m测量长度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的*大值Fmax均落在±α(μm)之内,则±α为准确度等级。Heidenhain准确度等级划分为:±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可见Heidenhain光栅尺的准确度等级和测量长度无关,这是很高的一个要求,现在还没有见到其他生产厂家能够达到这一水平。
现在Heidenhain玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用20μm和40μm,对衍射光栅栅距采用4μm和8μm,(1nm光栅除外)光学二倍频后信号周期为2μm和4μm。Heidenhain要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为±1%,闭式光栅仅为±2%,光栅信号周期及位置偏差见表2。
表2
光栅类别 信号周期(μm) 一个信号周期内的位置偏差(μm)
几何光栅 20和40
开放式光栅尺±1%,即±0.2~±0.4
封闭式光栅尺±2%,即±0.4~±0.8
衍射光栅 2和4
开放式光栅尺±1%,即±0.02~±0.04
封闭式光栅尺±2%,即±0.02~±0.08
2、信号的处理及栅距的细分
光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起,也就是说在栅距的一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量,超过周期的量程则用连续的增量式测量。为了保证测量的精度,除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外,还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有要求,因为这影响电子细分的精度,也就是影响光栅测量信号的细分数(倍频数)和测量分辨力(测量步距)。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确度和测量步距。对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好;信号直流电平漂移要小。对读数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电路要求频率特性好,才能保证测量速度大。
Heidenhain有专门为光栅传感器和CNC相联结设计了光栅倍频器,也就是将光栅传感器输出的正弦信号(一个周期是一个栅距)进行插补和数字化处理后给出相位相差90°的方波,其细分数(倍频数)有5、10、25、50、100、200和400,再考虑到数控系统的4倍频后对栅距的细分数有20、40、100、200、400、800和1600,能实现测量步距从1nm到5μm,倍频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质量。随着倍频数的增加光栅传感器的输出频率要下降,倍频器的倍频细分数和输入频率的关系见表3。
表3
倍频细分数 0 2 10 25 50 100 200 400
输入频率kHz 600 500 200 100 50 25 12.5 6.25
选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距。在Heidenhain的数显表中可以设置15种之多的倍频数,*高频数可达1024,即1、2、4、5、10、20、40、50、64、80、100、128、200、400、1024。在微机上用的数量卡*大倍频数可到4096。
3、光栅的参考标记和绝对座标
(1)光栅绝对位置的确立
光栅是增量测量,光栅尺的绝对位置是利用参考标记(零位)确定。参考标记信号的宽度和光栅一个栅距的信号周期一致,经后续电路处理后参考信号的脉冲宽度和系统一个测量步距一致。为了缩短回零位的距离,Heidenhain设计了在测量全长内按距离编码的参考标记,每当经过两个参考标记后就可以确定光栅尺的绝对位置,例如栅距为4μm和20μm的光栅尺扫描单元相对于标尺移动20mm后就可确定绝对位置,栅距为40μm的光栅尺要移动80mm才能确定绝对位置。
(2)绝对坐标传感器
为了在任何时刻测量到绝对位置,Heidenhain设计制造了LC系列绝对光栅尺,它是用七个增量码道得到绝对位置,每个码道是不同的,刻线*细码道的栅距有两种,一种是16μm,另一种是20μm,其分辨力都可为0.1μm,准确度±3μm。测量长度可达3m,*大速度120m/min。它所采用的是光电扫描原理和常用的透射光栅一样,是具有四场扫描的影像测量原理。
4.光栅的载体和热性能
光栅尺是在20°±0.1℃环境中制造,光栅的热性能直接影响到测量精度,在使用上光栅尺的热性能*好和测量的对象的热性能一致。考虑到不同的使用环境,Heidenhain光栅尺刻度的载体具有不同的热膨胀系数。现用的材料有玻璃、钢和零膨胀的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨胀系数为8ppm/K,钢为10ppm/K,现在Heidenhain已采用了和钢一样膨胀系数的玻璃。这些材料对振动、冲击不敏感,具有确定的热特性,并对气压和湿度的变化也不会有影响。对测量长度在3m以下的光栅尺载体材料都是用玻璃、玻璃陶瓷和钢,超过3m以上则用钢带。通过对标尺载体所用材料和相应结构的选择,使光栅尺与被测对象的热性能有*佳的匹配。