01_直线光栅尺类型介绍
光栅尺
几类典型光栅尺的性价比分析和使用要求简介摘要：本文介绍了光栅尺的基本原理和分类。
并列举了实际生产中的几种典型光栅尺，介绍了其技术参数、安装步骤和使用方法，通过比较，得出性价比分析。
关键词：光栅尺；技术参数；摩尔纹Abstract:This paper introduces the basic principle of grating ruler and classification. And enumerates several typical light in actual productio n.Grating ruler, introduces the technical parameters, the installation steps and method of use, by comparison, it is concluded that ratio of analysis.Keyword: grating ruler；technical parameters；Moore grain1.光栅尺简介光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。
光栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，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。
1.2光栅尺工作原理光栅尺是通过莫尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器. GBC系列光栅尺是由读数头、主尺和接口组成。
玻璃光栅上均匀地刻有透光和小透光的线条，栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，采用四细分后便可得到分辩率为5μm的计数脉冲。
一般的情况下，线条数按所测精度刻制，为了判别出运动方向，线条被刻成相位上相差90°的两路。
海德汉直线光栅尺产品说明书
用于NC数控机床10/20212更多信息，请访问海德汉官网• ，•也欢迎索取。
有关以下产品的样本：••敞开式直线光栅尺••内置轴承角度编码器••无内置轴承角度编码器••旋转编码器••海德汉后续电子电路••海德汉数控系统••机床检测和验收测试的测量装置技术信息：••海德汉编码器接口••进给轴精度••高安全性位置测量系统••EnDat•2.2－位置编码器双向数字接口••直驱编码器本样本是以前样本的替代版，所有以前版本均不再有效。
订购海德汉公司的产品仅以订购时有效的样本为准。
有关产品所遵循的标准（ISO，EN等）仅以样本中的标注为准。
目录4直线光栅尺用于NC数控机床用于数控机床的海德汉直线光栅尺几乎适用于任何应用。
也是进给轴为闭环控制的机器和设备的理想选择，例如铣床、加工中心、镗铣床、车床和磨床。
动态性能优异的直线光栅尺允许高速运动，沿测量方向的加速性能使其不仅能满足常规轴高动态性能要求，也能满足直驱电机对高动态性能的要求。
海德汉也提供其它应用所需的直线光栅尺，例如：••手动操作机床••冲压机和弯板机••自动化生产设备•直线光栅尺优点如果用直线光栅尺测量滑座位置，位置控制环就包括全部进给机构。
这就是全闭环控制模式。
进给轴的直线光栅尺检测机械运动误差并在控制系统电路中进行修正。
因此，能消除潜在的多个误差源：••滚珠丝杠发热导致的定位误差••反向误差••滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差因此，直线光栅尺是高精度定位和高速加工机床不可或缺的基础技术手段。
机械结构用于数控机床的直线光栅尺为封闭式测量设备：铝制的尺壳保护尺带、读数头和导轨，避免切屑、灰尘和切削液进入。
自动向下压的弹性密封条保持外壳密封。
读数头沿光栅尺带上摩擦力极小的导轨运动。
联接件将读数头与安装架连接在一起并补偿光栅尺与机床滑座间的不对正误差。
光栅尺与安装块间允许±•0.2•mm至•±•0.3•mm的横向和轴向误差，具体•数值与光栅尺型号有关。
数控机床用直线光栅尺(中文)
LC LF
LC 400 LC 100 LF 481 LF 183 LS 487 LS 187
LS
LS 477 LS 177
17
HCN 2008
8：1Vpp 9：带串口的绝对式光栅尺
机床用直线光栅尺
HCN 2008
应用
要求
高精度 热特性 稳定性
HEIDENHAIN Product
高性能机床，
磨床，车床，铣床
LF LC LS 1xx, LS 4xx LB LS 1679
热特性 测量步距，价格
大型机床 折弯机等
经济性 坚固耐用 数显用光栅尺
~ 1 Vpp
大型机床
LS 388C LS 328C LS 378C LS 688C LS 628C LS 678C
20 µ m 增量式 玻璃刻线 ± 10 µm ± 10 µm ± 5 µm ~ 1 Vpp TTL
通用型机床 如手动机床、 EDM和刀具调 整等
LS 1679
100µm
增量式 玻璃刻线 内置导轨
HCN 2008
8
不合理的安装
HCN 2008
9
读数头安装块
HCN 2008
l
b h
10
Abbé误差的补偿
b
导轨
HCN 2008
b
丝杠
ΔP
S
重心
P
ΔP 2
光栅尺
Abbé误差的补偿
高速铣床 © Heller
tan P P2 / b 1 /b P b tan 1 P P P1 2 2
Distance d, mm 1.5 ±0.3 1.0 ±0.3
Distance a, mm 2.0 ± 0.3 0.0 ± 0.2
光栅尺分类
光栅尺分类
光栅尺可以分为直线光栅尺、旋转光栅尺和细分光栅尺。
1. 直线光栅尺：直线光栅尺是一种测量长度的光栅尺，通常固定在机床滑块或工作台上，并与传感器相连以进行测量。
直线光栅尺的精度非常高，可以达到几个微米。
2. 旋转光栅尺：旋转光栅尺是一种测量角度的光栅尺，通常固定在旋转轴上，并与传感器相连以进行测量。
旋转光栅尺的精度也非常高，可以达到几角秒。
3. 细分光栅尺：细分光栅尺是一种高精度的光栅尺，它内部的光学系统可以将一个周期的信号细分成多个子周期。
这种光栅尺可以提高测量精度，并且在高速运动时也能保持极高的稳定性。
光栅尺 直线模组
光栅尺直线模组1.引言1.1 概述光栅尺是一种用于测量长度、直线或角度的精密测量仪器，它基于光学原理和光电传感技术，通过测量光栅尺上的光栅条纹变化来实现精确测量。
光栅尺由固定刻度和移动读数头组成，刻度上的光栅条纹被读数头感知并转换为电信号，进而通过信号处理器转化为我们熟悉的数字显示。
光栅尺具有精度高、响应速度快、重复性好等特点，广泛应用于制造业、测量仪器、数控机床、线划机械等领域。
在机械加工过程中，光栅尺可以被用来测量加工件的尺寸和位置，实现高精度加工。
在数控机床中，光栅尺更是不可或缺的一部分，用于反馈机床轴的位置信息，实现精确定位和运动控制。
光栅尺的应用在制造业中起到了举足轻重的作用，它不仅提高了产品的质量和加工精度，还大大缩短了加工周期，提高了生产效率。
此外，光栅尺还可以用于科学研究和实验室测量，例如测量光学实验中的物体位移或角度变化，有助于实现更精确的实验结果。
总的来说，光栅尺作为一种高精度、高可靠性的测量仪器，在现代制造业和科学研究中发挥着至关重要的作用。
随着技术的不断发展和创新，光栅尺的应用前景也越来越广阔，我们可以期待它在未来的发展中更加强大和多样化。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要围绕光栅尺直线模组展开讨论，结构安排如下：引言部分将对文章的背景和意义进行概述，介绍光栅尺直线模组的基本概念和应用领域。
正文部分将分为两个主要部分。
首先，会详细介绍光栅尺的原理，包括其基本构造、工作原理以及相关的技术参数。
其次，将重点探讨光栅尺在工业自动化、机械加工等领域中的应用，包括其在精密测量、位置反馈和运动控制等方面的功能与优势。
结论部分将对光栅尺的优势进行总结，并展望其未来的发展前景。
同时，将指出光栅尺在工业自动化领域的重要作用，并对其进一步提升和应用进行展望。
通过以上结构安排，本文将全面介绍光栅尺直线模组的原理、应用和发展前景，以期为读者提供一个全面、系统的了解光栅尺的参考。
1.3 目的本文的目的是介绍光栅尺和直线模组的相关知识。
光栅尺图文介绍
3 米以上的球栅尺（含 3 米），要在尺的中间加装弹性支架。一般 1.5 米距 离装一个弹性支架。 8 米以下的（含 8 米）球栅尺不用接，8 米以上的尺需要接长。如 10 米的球 栅尺要取两根 4.9 米的钢管、各在一端内径车扣。再取 0.2 米的钢管一根,两端 都在外径上车扣。然后它们都装上等量的钢球拧上即可。 安装数显表时要注意尽可能远离机床的电动机。以避免产生不必要干扰 信号。 9：安装球栅尺的好处是什么 安装球栅尺从真正意义上说，是从被动测量向主动测量转变。由离线测 量转向在线测量。大大提高了产品的加工精度和工作效率，实现了二级工可以干 八级工的工作。 由于球栅尺最长可以做到 30 米， 所以特别适合安装在大型或超大型机床 上。如龙门铣床、镗床等。一般机床安装球栅尺后可提高工效 20%以上，镗床精 加工可节约工时 30%。安装球栅尺的成本 90 天即可收回。一台重型 9 米立车平 均提高工效 38%，仅半年节约工时费即达 20 万元，一台英国镗床半年节约工时 达 30 万元之巨。 又由于它对安装环境没有要求，精度高、操作简单、耐使用。所以非常 适合对老工业企业的各式机床的改造。可谓是一种投资少见效快的最佳改造方 案。 附：浮法玻璃-简介
通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、 切削液及油污较多。因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外 形截面放大留一定的空间尺寸确定， 护罩通常采用橡皮密封， 使其具备一定的防水防油能力。 三、位移传感器使用注意事项 (1)光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。 (2)尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入 光栅传感器壳体内部。 (3)定期检查各安装联接螺钉是否松动。 (4)为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃 光栅刻划面上。 (5) 为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液(各 50%)清洗擦拭 光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。 (6) 光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即 失效了。 (7) 不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方 面可能破坏光栅传感器的精度； 另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦， 损坏铬层 也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。 (8) 应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。 (9) 光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅 尺表面，破坏光栅尺质量。 光栅的构造,光栅尺的构造和种类,光栅读数头
光栅尺信号与接口与单片机控制
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光栅尺技术指标(2) ---- 光栅尺的信号
3、方波信号：又称为TTL接口输出信号。A02B-0303-C205
可扩展
系统接收的方波信号为2路方波信号A和B，和其反相信号A和B。 其中，两路信号的相位差为90°。 信号周期360°
4倍频处理后的 测量步距
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光栅尺技术指标(2) ---- 光栅尺的信号
2.5 例：常见的光栅尺规格表：
光栅尺型号 光栅尺信号类型 光栅尺原始信号周期(栅距) 读数头的倍频数 经过倍频后的信号周期 光栅尺的最小测量距离
20um 20um / 4um 0.5um / 1um 4倍频/512倍频
机床用光栅尺按照结构分类：
1、钢带结构。 钢带结构适用于长距离移动距离， 2、玻璃结构。 玻璃结构由于热稳定性好，因此适用于高精度光栅尺；但是测量距 离不会太长。 另外，超高精度的测量还可能会使用陶瓷基体的光栅尺。
机床用光栅尺按照测量方法分类： ①增量式光栅尺、②绝对式光栅尺、③距离码式光栅尺。
其中： · 增量式光栅尺测量位置信息是通过以当前位置进行增量计算得到的。 · 绝对式光栅尺的位置信息是记录在光栅尺上一条绝对位置编码线上。 · 距离码式光栅尺不需要外部电源，通过检测到固定算法确定的参考点 来确定机床零点坐标。
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光栅尺的选择
光栅尺的选择：
在用户选择光栅尺的时候，需要考虑如下原则： 1、最小指令单位（系统）与光栅尺的测量步距应一致； 2、在1点中，若需要保证实际机床的定位精度达到系统的最小指令单位， 则推荐使用光栅尺的测量步距为最小指令单位的1/10的型号； 3、在进行超慢速移动中，（尤其是在磨床使用中）例如F0.1mm/min，为 了维持速度的稳定，光栅尺的选择更为关键。其测量步距通常选择应在 0.01um左右。 另外，在系统订货的时候，正弦波信号的光栅尺与方波信号的光栅尺，需 要选择不同的分离式检测单元。
光栅尺图文介绍
灰尘等。一旦进去这些油、水、灰尘等光栅尺就基本报废了。整体尺只能为 3 米，接长较难、精度难保证。所以光栅尺对环境要求相对较高，安装较复杂、使 用寿命短，而且必须要由专业人员安装才行。 球栅尺是国际九十年代产品，原产地为英国。它是利用导磁介质量的变化实 现电磁/磁电转换。球栅尺的尺身是由高等级的进口无缝钢管和若干个精密钢球 密闭组合而成。它由感应器产生的电磁切割钢管中的精密球，把它分割成 2450 份而每份为 5μ。由于球栅尺是密闭结构，所以它最大优点是不怕油、水、灰尘， 整体尺可做到 8 米、拼接可做 30 米。而且使用寿命长、安装简单、环境要求低。 3：光栅尺的分辨率同球栅尺的分辨率为什么不同？ 一般光栅分辩率是 1μ， 球栅的分辩率是 5μ。 但分辩率不等同于精确度， 光栅只是 1μ 一显示、而球栅有 1μ 一显示的、也有 5μ 一显示的，它们都采用 以 mm 单位的十进制。由于光栅是累计误差，而球栅是周期性误差。所以短的光 栅尺精度较高，长的球栅尺精度要高于光栅尺的精度。 4：安装光栅尺或球栅尺效益比较 光栅尺在 3 米以下的价格一般是球栅尺价格的 50%， 3 米以上的至 8 米的 光栅同球栅价格基本一样。8 米至 10 米的光栅尺价格要高出球栅尺价格 20%，10 米至 12 米的光栅尺价格要高出球栅尺价格 50%。从短尺价格比较光栅尺要便宜， 但光栅的使用寿命一般是 3 年，而球栅的使用寿命在 10 年以上。从长尺比较球 栅的优势就更多了。所以总体说安装球栅尺的效益要好于光栅尺。 5：编码器是什么 编码器就是圆光栅，测角位移。测完圈数、角度换算成周长。 6：同步传感器是什么 又称电栅也是用于直线测量的，原理是靠二路信号的电磁感应。也具有 不怕油、水、灰，但由于精度低以被淘汰了。 7：磁栅是什么 它是利用磁性栅尺和磁头实现电磁/磁电转换的。具体是一个钢片带磁， 由一个读数头在里面走提出信号。 8：如何安装球栅尺 球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支架固定在机 床上。读数头固定在机床的走刀架上，与球栅尺做相对运动。有时小机床也可把 读数头固定、球栅尺做运动。
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钢带
单个/等距/距离编码 3040 mm 1220 mm ± 5 µm, ± 3 µm, ± 2 µm
信号接口
9
EnDat 2.1, 2.2 Fanuc 02 Mit02-4
1 Vpp TTL
1 Vpp TTL
1 Vpp TTL
封闭式直线光栅尺概览
刻线周期 LF 183 LF 481 8 µm 类型 精度等级 接口
2：TTL不带细分 外壳类型
1：标准外壳 4：紧凑外壳 7：TTL带5/10细分 8：1 Vpp 9：带串口的绝对式光栅尺
扫描原理与测量标准
S：玻璃增量式 F：钢带精密增量式 B：大外壳钢带增量式
3
C：玻璃绝对式
ID Label
If you have technical questions, always have the device ID ready! 如果您需要咨询有关技术问题，请提前准备好产品ID信息！
Example:
Production code
E4
= April 2005
6
Code Key
Letter
A B C D E F G
Production year 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 n.a. n.a. 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 n.a. n.a.
直线光栅尺的参考点
HCN-MT April.2010
单个参考点
等距参考点
距离编码参考点
无参考点（绝对式光 栅尺）
27
机床回零
■ 使用绝对式直线光栅尺，机床开机便能得到位置值， 无需执行回零操作
HCN-MT April.2010
■ 使用增量式直线光栅尺时，机床需要移动一定的距离 执行回零操作
28
等距离参考点的选择
■ 通过参考点选择磁片选择参考点
LS 4x7
HCN-MT April.2010
LB 302 / LB 382
29
HCN-MT April.2010
直线光栅尺机械设计和安装
30
基本类型
HCN-MT April.2010
LC/LS 400系列 LC/LS 100系列
LF 400系列 LF 100系列
单场扫描的传感器结构
20
高质量绝对位置信息
HCN-MT April.2010
伪随机编码刻线
线性传感器序列 4个位置检测场
解码 1 2 3 4
4个位置信息 • 比对4个位置值 • 去除缺陷值
高可靠性位置值
21
钢带光栅尺的单场成像扫描
HCN-MT April.2010
光栅鼓
扫描窗口
光电传感器 （光电池）
入门级数控机床
EDM
LB 271 LS 1378C / LS 678C LS 388C / LS 688C LS 328C / LS 628C
手动机床
简单易用
8
封闭式直线光栅尺概览
HCN-MT April.2010
LC
信号周期 测量步距/分辨率 20 µm 0.1 µm
LS
20 µm 0.5 µm
LB
40 µm 0.1 µm
LF
4 µm 0.1 µm
刻线类型
参考点类型 长度范围（大截面） 长度范围（小截面） 系统精度
玻璃
无（绝对式） 4240 mm 2040 mm ± 5 µm, ± 3 µm
玻璃
单个/等距/距离编码 3040 mm 2040 mm ± 5 µm, ± 3 µm
钢带
等距/距离编码 ∞ ± 5 µm
HEIDENHAIN
HCN-MT April.2010
数控机床用直线光栅尺
2014年6月16日
1
HCN-MT April.2010
直线光栅尺概览
2
海德汉封闭式直线光栅尺的命名
HCN-MT April.2010
LS
1 8 7 C
参考点选择
无：选择参考点
C： 按距离编码的参考点 F： FANUC系统接口 M： MITSUBISHI 系统接口 光栅尺机械结构 电子输出信号 0：11 µAss
产品型号
测量长度
ID(订货号)
序列号
生产日期
Measuring step (for absolute encoders)测量步距(只针对绝对光栅尺)
ID structure: Id.Nr. 557 679 - 25 Basic ident number Variant
Basic ident number:
扫描掩膜 扫描光栅
聚光透镜
LED光源
钢带光栅尺的单场成像光电扫描
22
透射式扫描 - 信号生成
HCN-MT April.2010
23
单场扫描和四场扫描对比
HCN-MT April.2010
单场扫描的信号质量提高~ 50%
24
HCN-MT April.2010
直线光栅尺的参考点
25
参考点类型
■ 单个参考点
10
增量式 单场扫描 玻璃刻线
± 5 µm ± 3 µm
~ 1 Vpp TTL
高性能铣 床和车床
封闭式直线光栅尺概览
刻线周期 LB 382(C) 增量式 单场扫描 钢带刻线 ± 5 µm 类型 精度等级 接口
HCN-MT April.2010
典型应用
40 µm
~ 1 Vpp
大型机床
LS 388C LS 328C LS 378C LS 688C LS 628C LS 678C 20 µm 增量式 玻璃刻线
LB 382(C)单段式
LB 382(C)多段式
31
机械结构
用于平衡热膨胀 扫描单元 玻璃光栅尺 光源
HCN-MT April.2010
光电池 密封条 读数头
光栅尺外壳 读数头 联接器 DIADUR玻璃光栅尺
安装块 密封条
32
热特性
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光栅尺铝制外壳
柔性胶
玻璃光栅尺 机床铸造钢铁结构
Variant:
4
Model
Device version (e.g. measuring length, line count, cable length, connector design, etc.)
ID Label
Line count(线数) Connector data (pin assignment)接口定义
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反射层
透明层
主反射层
基体
平面结构的三维光学刻线
三维相位光栅
16
METALLUR刻线工艺
■ METALLUR
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+ HEIDENHAIN全新研发的镀层工艺将若干道金层、隔离层和铬层附着到基础材料上。这种镀层称为命名为
“METALLUR”。镀层完成之后，采用激光束在铬层上刻划“烧蚀”出所需的栅线结构。
= 1000 x (1/cos 0.0573º - 1) = 0.5 µm
34
读数头安装方式
■ 利用直线光栅尺附带的运输支架调整读数头安装支架 ■ 利用辅助量规工具检查读数头尺寸
HCN-MT April.2010
35
读数头安装调整工具
■ 正确安装直线光栅尺外壳 ■ 将读数头安装调整工具置于直线光栅尺外壳上 ■ 基于读数头安装调整工具，将读数头安装支架固定在机床上 ■ 除去读数头安装调整工具 ■ 基于读数头安装支架，调整并安装读数头
HCN-MT April.2010
■ 等距离参考点
50
50
■ 距离编码参考点 / C型
信号周期 LF LS LB 4 µm 20 µm 40 µm 名义增量数 5000 1000 2000 最大移动距离 20 mm 20 mm 80 mm
10.02 20 10.04 20
■ 无参考点绝对式光栅尺
26
■ AURODUR工艺是将金镀在钢带上，形成坚硬耐磨的金刻线带尺。
镀金层
1) 镀金层 金属带
HCN-MT April.2010
2)
光阻材料涂层
光阻材料
感光去除 3) 感光冲印 光阻材料刻线
刻蚀 4) 刻蚀镀金层
刻蚀金属表面
5)
15
去除多余材料工艺
SUPRADUR刻线工艺
■ SUPRADUR
+ SURPADUR工艺在主反射层上加透明层，再在上面镀一层极薄的金属铬，形成光学三维相位光栅。 + 因薄薄的金属铬层不会使粉末、污垢、水滴积聚在刻线表面上，所以SUPRADUR光栅抗污染能力强。
Interface输出信号类型
Operating voltage 工作电压
5
Production Code
Production code
The alphanumeric code gives information on the production year = letter and production month = 2-digit number.
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■ ID 547793-01 ■ 适用于LC 1x3/LS 1x7
36
不合理的安装
HCN-MT April.2010
37
不良安装示例
2009
2010 2011
X
Y Z
11
12
7
机床用直线光栅尺
HCN-MT April.2010