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光柵尺的原理是什么？ 這個(gè)問題很多次閃現(xiàn)在我的腦海中，也多次百度，但是都解釋得不太清楚，或者一點(diǎn)都不形象，很難理解。 因?yàn)樽罱捻?xiàng)目上用到了1D Plus光柵尺（后續(xù)我會專門寫寫這種光柵尺的應(yīng)用），我又想起了這個(gè)基本的問題，這次，我通過多方的資源，對光柵尺，比以前有了更多的認(rèn)識。 下面，我用對話的方式，分享一下。 羅羅，我們很多運(yùn)動(dòng)平臺，都會用到光柵尺，用來做閉環(huán)控制，我想問一下，光柵尺的原理的是什么？ 光柵尺啊，簡單理解就是一把尺子。 打個(gè)比方，游標(biāo)卡尺都用過吧，再或者卷尺用過吧，尺子上面有刻度，這些刻度作為基準(zhǔn)，你只需要把要測的物件，和卡尺上的刻度做比較，就可以用來衡量長度、大小、深度等信息。 同樣地，光柵尺上也有“刻度”，這種刻度叫光柵，是通過光刻刻在尺子上的，只不過，它不是通過人眼來讀取信息，而是通過配套的讀數(shù)頭，來讀取位置信息。 你的比喻，我明白了，但是實(shí)際原理是不是要復(fù)雜得多？ 沒錯(cuò)。實(shí)際原理確實(shí)復(fù)雜很多：光柵是在玻璃或鋼帶尺上，制作的一系列條紋和狹縫，一個(gè)條紋和一個(gè)狹縫的寬度稱為柵距，常見柵距20um。 讀數(shù)頭每掃描一個(gè)柵距，就產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號周期，此信號再通過一個(gè)電子電路進(jìn)行細(xì)分（讀數(shù)頭內(nèi)置的或者外部細(xì)分盒），比如5，10，50，100倍的細(xì)分，所以可以達(dá)到很高的分辨率。 比如，一個(gè)20um柵距，經(jīng)過50倍細(xì)分，那一個(gè)周期就是0.4um，這就是廠商說的分辨率。 我有點(diǎn)明白了。不過我還想問一下：讀數(shù)頭怎么可以掃描光柵讀取數(shù)據(jù)呢？
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2019-8-12 00:00 上傳
如上圖，讀數(shù)頭中有和尺體柵距一樣的指示光柵（Scanning reticle），并且讀數(shù)頭中本身有LED光源，當(dāng)讀數(shù)頭相對于光柵尺（Scale）移動(dòng)時(shí)，LED光在經(jīng)過了聚焦鏡后（Condenser lens），照射到光柵尺上，然后光通過光柵狹縫，衍射到讀數(shù)頭的光電探測器上（Photocells），這樣就在探測器平面上，產(chǎn)生了明暗相間的正弦干涉條紋。 接著，探測器把這些條紋，轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過電路的放大和整形后，得到兩個(gè)相位差90度的正弦波，或方波信號A和B。
正弦波或方波的周期數(shù)，與移動(dòng)距離成正比。尺體正向移動(dòng)時(shí)，A信號超前B信號90度，尺體反向移動(dòng)時(shí)，A信號滯后B信號90度。 如果轉(zhuǎn)換成方波信號，做4倍頻細(xì)分，一個(gè)周期里有4個(gè)上升沿，這個(gè)時(shí)候的分辨率只對應(yīng)著一個(gè)上升沿，也就是1/4周期（脈沖）。
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2019-8-12 00:01 上傳
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2019-8-12 00:01 上傳
需要注意的是，實(shí)際情況，光電探測器和LED在光柵尺的同一側(cè)，都集成在讀數(shù)頭中。當(dāng)光照射到光柵尺后，有一部分光會反射回去，然后通過聚焦鏡，照射回光電探測器，形成電信號。
我明白光柵尺的原理了。 那為什么不直接用卡尺測量呢？ 你真調(diào)皮，一般卡尺只能人眼讀數(shù)，怎么把你讀到的數(shù)據(jù)，傳送到機(jī)器運(yùn)動(dòng)軸呢，就更不用說位置沒有走對時(shí)，如何去反饋?zhàn)鲂Ｕ�。就算你用能夠輸出讀數(shù)的卡尺，精度也沒有光柵尺的高嘛。 那一般光柵尺的精度可以達(dá)到多少？ ±15μm，±5μm，±3μm，±1μm都有。 需要注意的是，這里說的精度，是光柵尺的制造誤差，指每走1m實(shí)際可能的誤差，而如果小距離行走，誤差會更小，比如±0.275μm/10mm，±0.750μm/50mm，就是說運(yùn)動(dòng)10mm和50mm可能產(chǎn)生的誤差分別是±0.275μm和±0.750μm，這是光柵的本身制造精度，也是選擇光柵尺的一個(gè)重要參考。 比如，我們經(jīng)常希望一個(gè)軸的定位精度是±3um/100mm或者±5um/100mm之類的，那么選擇光柵尺的時(shí)候，首先，它的精度就要比這個(gè)要求高，比如±0.5um/100mm或者±1um/100mm。 另外，這里±1um/100mm并不能推導(dǎo)出±10um/1000mm，因?yàn)檫@里沒有線性關(guān)系，往往光柵尺本身，會標(biāo)注一兩個(gè)短行程誤差。比如精度±10um/m，往往100mm內(nèi)的誤差會小于±1um。 當(dāng)然，讀數(shù)頭在細(xì)分信號的時(shí)候，也會引入誤差，叫做差分誤差，不過這個(gè)誤差很小。比如一根光柵尺，柵距20um，分辨率為0.1um，周期誤差（電子細(xì)分誤差SDE）±0.15um。指的是柵距為20um的光柵，經(jīng)過200倍細(xì)分，分辨率是20/200=0.1um，在這20um的柵距內(nèi)，因?yàn)橄到y(tǒng)信號處理帶來的誤差是±0.15um。 好的，我知道了。 不過，我還想知道，光柵尺的測量精度還與哪些因素有關(guān)？ 通常還和導(dǎo)軌的精度、結(jié)構(gòu)剛性、光柵尺和末端點(diǎn)的距離有關(guān)系，對溫度敏感的系統(tǒng)，還和環(huán)境溫度及光柵尺附近熱源有很大關(guān)系。 通常導(dǎo)軌有直線度和平行度誤差，讀數(shù)頭只能讀取到光柵尺位置的信息，而我們關(guān)心的位置通常不是光柵尺位置，而是結(jié)構(gòu)上功能點(diǎn)的位置，也就是存在阿貝誤差。 結(jié)構(gòu)剛性，光柵尺和末端點(diǎn)的距離都會影響阿貝誤差。 溫度的上升和下降，會導(dǎo)致光柵尺的熱膨脹，也會引入誤差，因?yàn)榛鶞?zhǔn)變化了，讀數(shù)頭會認(rèn)為是光柵尺有一個(gè)微小運(yùn)動(dòng)。 光柵尺柵距這么小，那刻度是怎么刻上去的？光柵尺尺子一般都是哪些材料？ 上面已經(jīng)提到了，光柵一般刻在玻璃或鋼帶基體上，玻璃一般用于短行程尺子，大長度尺子，比如10米、30米，用鋼帶作為基體。 至于說柵距怎么刻上去的，前面也說了，是用光刻的原理刻上去的。 那光刻是個(gè)什么東西？我不是很理解，你能解釋一下嗎？ 好吧，我來打個(gè)比方。 比如說，你看集成電路板，上面不是有一條一條金屬線么？ 那個(gè)線不是畫上去的，是整個(gè)刷一層銅到硅板上，然后上面刷一層蠟，然后你用刀子把沒有導(dǎo)線的部分的蠟“刻”下去，然后把這塊板子扔到腐蝕液里，沒有蠟覆蓋的地方就會被腐蝕掉，然后你把它拿出來，集成電路板就做好了。 嗯，有點(diǎn)意思，你繼續(xù)說吧，光柵刻線怎么做出來的。 做光柵尺的時(shí)候呢，也是這個(gè)樣子，但是光柵尺上的柵距非常非常小，間距是微米級別的，已經(jīng)沒有任何物理的刀子可以去刻出來了，這個(gè)時(shí)候我們就用“光刻”了。 因?yàn)楣饪梢员环值暮芾w細(xì)的，光刻是在被刻材料表面鋪一層感光膜，然后用光去照它，被光照到的地方，感光膜就會被“燒掉”，然后這個(gè)時(shí)候你用一個(gè)上面畫著刻線的“紙片”，去擋一下光，這樣就把光柵要保留的地方留下來了，然后扔到對應(yīng)的液體里一泡，光柵尺也就做好了。 好的，我終于明白了。 羅羅，我還有一個(gè)問題。 增量式光柵尺和絕對式光柵尺有什么區(qū)別？分別用于什么場合？
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2019-8-11 23:42 上傳
增量式光柵由周期性刻線組成。位置信息的讀取需要參考點(diǎn)，通過和參考點(diǎn)的對比，來計(jì)算移動(dòng)平臺所在的位置。 由于必須用絕對參考點(diǎn)確定位置值，因此增量光柵尺上，還刻有一個(gè)或多個(gè)參考點(diǎn)。由參考點(diǎn)確定的位置值，可以精確到一個(gè)信號周期，也就是分辨率。絕大多數(shù)場合，都使用這種光柵尺，因?yàn)樗冉^對式光柵尺便宜。 而絕對式光柵，絕對位置信息來自光柵碼盤，它由一系列刻在尺子上的絕對碼組成。所以，編碼器通電時(shí)，就可立即得到位置值，并隨時(shí)供后續(xù)信號電路讀取，不用移動(dòng)軸，執(zhí)行參考點(diǎn)回零操作。 因?yàn)榛亓銜速M(fèi)一定時(shí)間，如果機(jī)器有多個(gè)軸，那么回零循環(huán)可能變得既復(fù)雜又耗時(shí)。這種情況下，使用絕對式光柵尺是有利的。 另外，從速度和精度方面考慮，增量式光柵的最大掃描速度，取決于接收電子裝置的最大輸入頻率 (MHz) 和所需的分辨率。但是，由于接收電子裝置的最大頻率已固定，所以提高分辨率將導(dǎo)致最大速度相應(yīng)降低，反之亦然。 而絕對式光柵，不會受到這種情況的影響，可確保高速和高分辨率運(yùn)行。這是因?yàn)槲恢酶鶕?jù)需求和使用串行通信確定。絕對式光柵最典型的應(yīng)用，是表面貼裝技術(shù) (SMT) 行業(yè)中的貼片機(jī)，在該行業(yè)中，同時(shí)提高定位速度和精度，是永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。 好的，明白了。 一般根據(jù)哪些數(shù)據(jù)去選擇合適的光柵尺呢？ 第一， 是精度。 第二， 分辨率。 第三，行程。 第四，最大檢測速度。 第五，電接口及電線長度。 第六，安裝方式及安裝空間。 第七，抗振動(dòng)性能。 第八，價(jià)格。絕對式光柵尺一般貴20%。 一般來說，精度和分辨率是我們選擇光柵尺的首要因素。 那我想問了，如何根據(jù)定位精度，或者是重復(fù)定位精度要求，來選擇光柵尺？ 這個(gè)，我舉個(gè)例子吧。 比如，要做一個(gè)行程100mm，系統(tǒng)定位精度是±0.01mm(±10um)的移動(dòng)平臺，我們可以選擇行程是120mm，精度是±0.5um/1m，分辨率是0.02/10=0.002mm的光柵尺。 這樣，行程有20mm的余量，可以用于做硬件保護(hù)，而光柵尺本身的精度±0.5um也很常見。 關(guān)于分辨率，之所以取定位精度的1/10來選擇分辨率，是因?yàn)榇嬖诳刂普`差，通常在±10cnt，這里所說的1cnt，是指的，在光柵尺本身分辨率基礎(chǔ)之上，做了細(xì)分處理之后的分辨率，通常有4倍或者8倍細(xì)分。 比如4倍細(xì)分，那么上面分辨率為0.002mm的光柵尺，分辨率將達(dá)到0.002mm/4=0.5um�！�10cnt也就是±5um，留了一倍的余量，這個(gè)主要考慮，系統(tǒng)還存在機(jī)械誤差，比如傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)剛性等，這些因素也會吃掉一部分精度。當(dāng)然這些是幾何誤差的范疇，可以通過測量，獲得誤差曲線，進(jìn)行一部分的補(bǔ)償，但是，還是有不一部分動(dòng)態(tài)誤差，無法補(bǔ)償。 另外，很多時(shí)候，我們并不關(guān)心絕對定位精度，而只關(guān)心重復(fù)定位精度。一般來說，系統(tǒng)的重復(fù)定位精度的數(shù)值為定位精度的1/2～1/3，最多不會超過一個(gè)數(shù)量級，即1/10。比如，此例子中，一般來說重復(fù)定位精度在±0.01mm/2～±0.01mm/10=±0.005mm～±0.001mm之間。 當(dāng)然，還有一點(diǎn)，系統(tǒng)的重復(fù)定位精度，一般介于分辨率和定位精度之間。 好了，關(guān)于光柵尺的選擇，我就說這么多吧。 好的，羅羅，我可以再問最后一個(gè)問題嗎？ 你問題真多，說吧。 光柵尺的安裝最需要注意的地方是什么？說一兩點(diǎn)就可以了。 第一，我覺得需要預(yù)留好調(diào)整空間吧，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候空間不足，不好調(diào)整讀數(shù)頭，造成調(diào)試花太多時(shí)間，維護(hù)也很麻煩。安裝后必須進(jìn)行精確調(diào)整，根據(jù)指示燈的顏色來判斷調(diào)整好壞。 另外，一般光柵尺的安裝面，要和導(dǎo)軌面保持一定的平行度，比如0.1mm，這個(gè)要求，往往比安裝的搖擺平行度要求高一倍，比如搖擺平行度要求0.2mm。 好的，我明白了，感謝你的回答。 客氣了。
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發(fā)表于 2019-8-12 00:02:12
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