光栅测量系统的工作原理
2010-06-19 11:01:17 阅读16 评论0 字号：大中小
烟台五丰电子科技有限公司 电话：0535-2130867 15066789960 QQ：1070872353 张敏
是我国xx的光栅生产厂家，其技术、品种、产量和市场占有率都居{sjlx}水平， 目前绝大多数全闭环结构的数控机床上均配套该公司的产品，因此在数控机床维修过程中经常会遇到此类故障。为了便于读者参考，现将该公司产品的构成和原理简介如下。
烟台五丰电子科技有限公司生产的光栅位置检测系统，由光栅尺和前置放大器EXE(进行脉冲放大整形及细分)两大部分构成。光栅尺检测机床的实际位移，并输出与位移量和位移方向有关的两路信号到前置放大器EXE进行放大、整形和电子细分，{zh1}经长线驱动后输出到CNC，形成全闭环控制系统。
图6-4为光栅的检测原理，光栅上刻有等间隔排列又能透过光线的细小的狭缝，如果把这样两个光栅一个固定于机床床身(称为标尺光栅)，一个可以随工作台运动(称为指示光栅)，并使两者相互错开一个角度θ叠合在一起，在“标尺光栅”与“指示光栅”的细小狭缝相交区域，透射光可以全部通过，便形成“亮区”；而在非相交部分，由于透射光被遮挡而形成“暗区”。这样，在光栅的垂直方向上就可以形成明暗相间的条纹，这种条纹被人们称为“莫尔条纹”。
公司生产的指示光栅通常由5个短光栅构成，其排列如图6-4a所示，与此对应，在信号检测回路中使用了三相共6个光电池，如图6-4b。通过光电池把莫尔条纹的明、暗变化，转换成电流信号输出。在空间位置上，指示光栅G1和G2相差1/2栅距，使得光电池S1处于“亮区”时，S2正好在“暗区”。这样当莫尔条纹移动时，这组光电池就可输出一个如图6-5所示的按正弦规律变化的电流信号ie1。同理，指示光栅G3和G4也相差1/2栅距，对应的光电池S3和S4将形成正弦电流信号ie1。而且，指示光栅G1、G2和G3、G4之间相差1/4栅距，这样在电流信号ie1和ie2之间形成了90?的相位差，它是数控系统识别坐标运转方向的依据。
光栅的前置放大器EXE的功能是将光栅尺输出的三路微弱正弦信号ie0、ie1、ie2进行放大、整形、细分、驱动，形成标准TTL(或HTL)电平信号输出。
基本电路内含通道放大器CH0-CH2、整形电路COM0-COM2、驱动和报警电路等，制成一块印制电路板；细分电路作为一种可选功能单独制成一块电路板。两板之间通过连接器J3连接。
若光栅尺本身的分辨率能够满足检测精度要求，就不必选择细分功能。此时只要将连接器J3脱开，把基本电路板上的DIP3-4和DIP5-6置于ON，DIP7-8置于OFF即可。如设备对检测精度要求较高时，就必须选择细分电路。WEFULL公司提供了细分5倍(对应EXE/601/602/604)和细分10倍(对应EXE/610)两种电路，可将检测分辨率相应提高5倍或10倍，以满足不同精度机床的需要。
若光栅尺本身的分辨率能够满足检测精度要求，就不必选择细分功能。此时只要将连接器J3脱开，把基本电路板上的DIP3-4和DIP5-6置于ON，DIP7-8置于OFF即可。如设备对检测精度要求较高时，就必须选择细分电路。WEFULL公司提供了细分5倍(对应EXE/601/602/604)和细分10倍(对应EXE/610)两种电路，可将检测分辨率相应提高5倍或10倍，以满足不同精度机床的需要。
基本电路的工作原理如下：从光栅尺输出的两路相位互差90?的电流信号ie1、ie2经J1连接器输入EXE，通过放大、整形、细分驱动后，输出相位差90?的两路方波信号Ual和Ua2。ie0是参考点信号，同样经放大、整形后送到逻辑门电路与细分电路的有关信号组合，形成一个与乩Ual、Ua2两路方波信号前后沿xx对应、脉宽为90?的方波参考脉冲Ua0。
通道放大器CH0~CH2xx相同，由TCA520B运算放大器组成，L11、L12和C11、C12是滤波网络，用于提高抗干扰能力；C11和C12兼差动输入分压电容；R11和C13是负反馈网络。R21、R22、C2为基准2.5V电压环节，通过电阻R21和R22分压，产生2.5V基准电压，送至各运算放大器的同相输入端，以满足运算放大器在单电源工作下的偏置要求。这样，在无输入信号时，各运算放大器的输出均为2.5V。
整形电路COM0~COM2由—LM339集成3电压比较器构成。2．5V基准电压作为“门坎电平”送至各比较器的同相输入端，通道放大器的输出为各比较器的反相输入。在通道放大器输出信号UCH的正半波，比较器的负端输入大于正端输入，输出为高电平；反之在UCH的负半波，比较器输出零电平。这样，输入的三路正弦信号ie0、ie1、ie2就转换成了与之对应的三路方波信号Ucom0~Ucom2。
的EXE细分电路，{zg}可以做到400细分，这对减少光栅尺上的刻线数、降低生产成本非常有利。
如前所述，当两个光栅尺相对移过一个节距时，在光电池上将形成一个360?电角度的完整周期：若光栅尺相对移过1/n个节距时，对应输出信号的相角为360?/n。也就是说，光电池输出信号的相角反应了栅尺的相对位移。WEFULL公司采用了RUSSELL插值法，在一个光栅节距所对应的周期中，可以均匀地插入5个点(EXE601/602/604)或10个点(EXE610)，将分辨率相应提高5倍或10倍。
以细分5倍电路为例，其工作原理如下：
细分电路的原理如图6-7所示，C1~C8是由LM339电压比较器组成的8个整形电路们具有xx相同的形式。
对C1~C4比较器，反向输入端Ua是来自通道放大器CHl的输出UCHl：Ub是来自通道放大器CH2的输出UCH2；两个信号在相位上互差90?。
设：Ua=UCHl=Um sinωt，
则：Ub=UCH2=Umsin(ωt－90?)
根据电路定律，电压比较器的反向输入端的输入电压为
U1~U8经整形后，输出方波信号Uc1~Uc8。同样，这些方波的初相位亦较通道1输出的整形方波Ucom1依次后移了对应的电角度。方波信号Uc1~Uc8经两只74LS86异或门适当组合之后，在J3连接器的8脚和9脚即可得到细分5倍后的波形，且U8和U9在相位上也满足互差90?的要求。这两路方波脉冲经长线驱动器75114驱动后，即为对应的Ual和Ua2通道信号，由J2连接器输出。
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