光栅尺的设计及加工工艺的参考

摘要随着数控机床在机床制造领域的普及，现代机床在加工速度、加工精度和可靠性方面都有了很大的提高。

机床用光栅测量元件和数控系统是数控机床的两大核心部件，清楚地了解他们的发展趋势，对机床制造商和最终用户都有非常重要的意义。

本文依据对海德汉光栅尺拆解后测绘的尺寸，利用solidworks2009对其进行了实体建模，并对光栅尺加工及安装工艺进行了研究和探讨。

同时，本文阐述了光栅尺的概况，分类及工作原理，介绍了典型的海德汉光栅尺及海德汉公司的发展，提出了能提高光栅尺的测量精度的方法。

第1章绪论1.1引言在经济危机席卷全球的形式下，中国光栅尺制造商面临产品升级，寻求新发展的重要时期，制造出高性能光栅尺是光栅尺制造商共同的目标。

实现该目标与很多因素都相关，本文仅从高性能机床所需的两个关键部件人手，介绍其最新发展供大家参考。

结合HEIDENHAIN公司的在测量技术方面的深人研究，着重强调了光栅尺精度和测量技术的最新发展，包括:(1)单场扫描技术；(2) 光栅测量技术；(3)光栅尺位移传感器的概念及工作原理；(4 )光栅尺的加工工艺等。

结合HEIDENHAIN数控系统，介绍了适合于高性能数控机床的最新数控技术，包括(1)高速加工;(2)五轴加工;(3)智能化;(4)友好人机界面。

1.2光栅测量系统的发展趋势及水平光栅数字测量系统是数显机床、数控机床和测量机的重要组成部分，是由光栅传感器和光栅倍频器(插补和数字化电子装置)组成。

光栅传感器是作为位移测量元件，光栅倍频器是对光栅信号进行电子细分和数字化处理。

光栅编码器是利用刻划在各种各样载体(如玻璃、玻璃陶瓷、固态钢或钢带)上的光栅作为测量标准，并通过光电扫描进行分度，编码器的精度和温度特性可以通过刻划和选择载体来优化。

光栅编码器又分为直线编码器(光栅尺)和圆编码器，而圆编码器又分为旋转编码器(作为旋转轴的反馈部件)和角度编码器(作为转台的角度测量部件)。

对于编码器的结构又分为开启式的和封闭式的。

它是以测量各个坐标的位移来实现对设备的数显和数控，因此测量系统的精度就决定了设备的精度。

目前光栅数字测量系统的精度已有微米级、亚微米级和纳米级三个档次。

光栅测量系统的长处是性能稳定、可靠性好、精度高、测量范围大、使用方便、价格适中，和其他测量系统相比有着明显的优势，在当今国际市场上光栅测量系统要占到80%以上。

目前光栅测量系统的侧量步距已达1nm(0.001µm)，准备度到达±0.5µm，测量长度已达30m最大移动速度已达480/min，最大加速度已达250m/s2，最大传输距离达150m。

目前全世界能制造光栅测量系统的国家除我国外还有德国、日本、美国、英国、西班牙、奥地利、意大利、俄国、韩国和印度等，估计年产量超过70万坐标，其中以德国海德汉公司为最著名，半个世纪以来其技术、品种、产量都绝对领先于其他国家。

其各个品种的增长率分别为:开启式光栅尺+30%，封闭式光栅尺-3%，旋转编码器+5%，角度编码器-4%，长度规-3%,数显表DRO -18%，数控装置TNC+4%，因此本文所列举的数据均参照HEIDENHAIN产品。

1.3 课题来源及研究意义1.3.1课题来源20世纪50年代是数控机床的起步阶段。

当时传统的机床越来越难以满足加工业的双高需求—高精度和高效率。

因此对传统机床的改进显得尤其重要。

近几十年来，美国、德国等国家先后在研制性能优良的数控机床上投入了大量的人力和物力。

数控系统和机床的测量系统是现代数控机床的关键部件。

尤其是机床的测量系统，它是保证机床高精度的前提条件。

断演变和发展的过程。

近年来光栅测量系统在数控机床上的使用占具主要的地位。

光栅测量系统的分辨率高达纳米级，测量速度高达480m/min,测量长度高达百米以上。

由于这些无可比拟的优点，高精度、高切削速度的数控机床无疑要采用光栅测量系统。

20世纪50年代德国HEIDENHAIN公司的Johannes Heidenhain博士发明了DIADUR工艺—在玻璃机体上镀铬的光刻复制工艺。

该工艺后来用于光栅尺的制造上。

在以后的几十年里，光栅尺的制造技术不断提高。

近年来光栅测量系统在数控机床上的使用占具主要的地位。

本文提出了如何提高光栅尺测量精度的方法，和适于高速高精度的测量以及仿海德汉光栅尺的设计及加工工艺。

1.3.2研究意义测量广泛存在于国民经济的各个部门和人民生活的各个方面。

自然科学所阐明的一般规律、定理、定律，往往都是以测量为基础。

在现代科学技术中，测量技术的地位越来越重要，小到纳米级的金相分析，大到船舶制造和桥梁建设，精到卫星的发射，都必须进行测量。

从某种意义上说，没有测量就没有科研，就没有现代工业的发展。

而在目前时期，光栅测量是最主要的测量方式之一，光栅尺精度高、可靠性强、结构简单，在机床、二坐标和大量程直线测量设备中应用比较广泛。

光栅尺在现代工业的贡献也是非常巨大的，不仅仅将现在加工精度进一步完善，更重要的是提高了现在加工时的工作效率。

在现在中国加工业、制造业越来越成熟，对加工的精度越来越高的时候，在各种机床上，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺，其工作环境要求相对来说不是很苛刻，对操作者的使用来说也十分简单。

在数控机床中，HEDENHAIN光栅尺是最先进的测量工具。

海德汉公司研制生产光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显装置和数控系统。

海德汉公司的产品被广泛应用于机床、自动化机器，尤其是半导体和电子制造业等领域。

对于数控机床，单纯追求高准确度的光栅尺是不够的，还要选择光栅尺的信号周期大小及设定控制系统的细分份数，使数控机床有合适的分辨率，同时还要选择合适的机械安装结构。

要进一步提高数控机床的整体精度，还要对机床进行线性补偿、非线性补偿甚至几何精度补偿等。

第2章光栅尺的结构及工作原理2.1 光栅尺位移传感器2.1.1 光栅尺的概念光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置（如图2-1）。

光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。

其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。

例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。

图2-1 光栅尺的外观光栅尺只是一个反应装置，它可以将位移量和位移方向通过信号输出的方式反馈出来，但它不能直接显示出来，它还需要一个显示装置，我们简称它为数显显示箱，也称数显表。

只有当光栅尺和数显表连接在一起的时候，才能正常的将数值反应给每一位操作者，因而，我们对于光栅尺的使用上面，还是要多了解，如果不是很专业的人员，需要知道一些专业性的知识，才能单独使用光栅尺作为反馈装置使用。

2.1.2 光栅尺装置的分类光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。

透射光栅指的玻璃光栅；反射光栅指的钢带光栅。

2.1.3 光栅尺装置结构光栅尺位移传感器是有标尺光栅和光栅读数头两部分组成。

标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。

光栅检测装置结构光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。

光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）。

2.1.4 常见光栅尺的工作原理常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。

当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。

在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。

相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。

2.1.5 莫尔条纹图2-2 莫尔条纹以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。

这种条纹称为“莫尔条纹” (如图2-2所示)。

严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。

莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离为莫尔条纹的宽度，以w表示。

莫尔条纹具有以下性质：当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。

若用W 表示莫尔条纹的宽度，d 表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为： θωsin d = 无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。

这种放大作用是光栅的一个重要特点。

由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。

莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。

两光栅尺相对移动一个栅距d ，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W ，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。

2.2 检测与数据处理 光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。

高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。

为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前（2006年）光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。

当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。

这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。

例如，栅线为50线对/mm 的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm ，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm 的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。

由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。

为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。

由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。

然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。

通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。