機(jī)械社區(qū)
標(biāo)題: 光柵尺的原理是什么？怎么選擇？供應(yīng)商都沒(méi)講明白，6年了我第一次聽(tīng)懂 [打印本頁(yè)]
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-12 00:02
標(biāo)題: 光柵尺的原理是什么？怎么選擇？供應(yīng)商都沒(méi)講明白，6年了我第一次聽(tīng)懂
光柵尺的原理是什么？
這個(gè)問(wèn)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(huì)專(zhuān)門(mén)寫(xiě)寫(xiě)這種光柵尺的應(yīng)用），我又想起了這個(gè)基本的問(wèn)題，這次，我通過(guò)多方的資源，對(duì)光柵尺，比以前有了更多的認(rèn)識(shí)。
下面，我用對(duì)話的方式，分享一下。
羅羅，我們很多運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，都會(huì)用到光柵尺，用來(lái)做閉環(huán)控制，我想問(wèn)一下，光柵尺的原理的是什么？
光柵尺啊，簡(jiǎn)單理解就是一把尺子。
打個(gè)比方，游標(biāo)卡尺都用過(guò)吧，再或者卷尺用過(guò)吧，尺子上面有刻度，這些刻度作為基準(zhǔn)，你只需要把要測(cè)的物件，和卡尺上的刻度做比較，就可以用來(lái)衡量長(zhǎng)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(guò)光刻刻在尺子上的，只不過(guò)，它不是通過(guò)人眼來(lái)讀取信息，而是通過(guò)配套的讀數(shù)頭，來(lái)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(méi)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(chēng)為柵距，常見(jiàn)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(hào)周期，此信號(hào)再通過(guò)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(guò)50倍細(xì)分，那一個(gè)周期就是0.4um，這就是廠商說(shuō)的分辨率。
我有點(diǎn)明白了。不過(guò)我還想問(wèn)一下：讀數(shù)頭怎么可以掃描光柵讀取數(shù)據(jù)呢？
(, 下載次數(shù): 203)
上傳
點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 威望 -10 點(diǎn)
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(duì)于光柵尺（Scale）移動(dòng)時(shí)，LED光在經(jīng)過(guò)了聚焦鏡后（Condenser lens），照射到光柵尺上，然后光通過(guò)光柵狹縫，衍射到讀數(shù)頭的光電探測(cè)器上（Photocells），這樣就在探測(cè)器平面上，產(chǎn)生了明暗相間的正弦干涉條紋。
接著，探測(cè)器把這些條紋，轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)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(hào)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(hào)超前B信號(hào)90度，尺體反向移動(dòng)時(shí)，A信號(hào)滯后B信號(hào)90度。
如果轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，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(duì)應(yīng)著一個(gè)上升沿，也就是1/4周期（脈沖）。
(, 下載次數(shù): 194)
上傳
點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 威望 -10 點(diǎn)
(, 下載次數(shù): 184)
上傳
點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 威望 -10 點(diǎn)
需要注意的是，實(shí)際情況，光電探測(cè)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(huì)反射回去，然后通過(guò)聚焦鏡，照射回光電探測(cè)器，形成電信號(hào)。
我明白光柵尺的原理了。
那為什么不直接用卡尺測(cè)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(shuō)位置沒(méi)有走對(duì)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(méi)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(shuō)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(huì)更小，比如±0.275μm/10mm，±0.750μm/50mm，就是說(shuō)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(lèi)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(méi)有線性關(guān)系，往往光柵尺本身，會(huì)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(huì)小于±1um。
當(dāng)然，讀數(shù)頭在細(xì)分信號(hào)的時(shí)候，也會(huì)引入誤差，叫做差分誤差，不過(guò)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(guò)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(hào)處理帶來(lái)的誤差是±0.15um。
好的，我知道了。
不過(guò)，我還想知道，光柵尺的測(cè)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(duì)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(huì)影響阿貝誤差。
溫度的上升和下降，會(huì)導(dǎo)致光柵尺的熱膨脹，也會(huì)引入誤差，因?yàn)榛鶞?zhǔn)變化了，讀數(shù)頭會(huì)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(zhǎng)度尺子，比如10米、30米，用鋼帶作為基體。
至于說(shuō)柵距怎么刻上去的，前面也說(shuō)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(lái)打個(gè)比方。
比如說(shuō)，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(huà)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(méi)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(méi)有蠟覆蓋的地方就會(huì)被腐蝕掉，然后你把它拿出來(lái)，集成電路板就做好了。
嗯，有點(diǎn)意思，你繼續(xù)說(shuō)吧，光柵刻線怎么做出來(lái)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(jí)別的，已經(jīng)沒(méi)有任何物理的刀子可以去刻出來(lái)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(huì)被“燒掉”，然后這個(gè)時(shí)候你用一個(gè)上面畫(huà)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(lái)了，然后扔到對(duì)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(wèn)題。
增量式光柵尺和絕對(duì)式光柵尺有什么區(qū)別？分別用于什么場(chǎng)合？
(, 下載次數(shù): 215)
上傳
點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 威望 -10 點(diǎn)
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(guò)和參考點(diǎn)的對(duì)比，來(lái)計(jì)算移動(dòng)平臺(tái)所在的位置。
由于必須用絕對(duì)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(hào)周期，也就是分辨率。絕大多數(shù)場(chǎng)合，都使用這種光柵尺，因?yàn)樗冉^對(duì)式光柵尺便宜。
而絕對(duì)式光柵，絕對(duì)位置信息來(lái)自光柵碼盤(pán)，它由一系列刻在尺子上的絕對(duì)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(hào)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?huì)浪費(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(duì)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(duì)式光柵，不會(huì)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(duì)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(cè)速度。
第五，電接口及電線長(zhǎng)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(duì)式光柵尺一般貴20%。
一般來(lái)說(shuō)，精度和分辨率是我們選擇光柵尺的首要因素。
那我想問(wèn)了，如何根據(jù)定位精度，或者是重復(fù)定位精度要求，來(lái)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(tái)，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(jiàn)。
關(guān)于分辨率，之所以取定位精度的1/10來(lái)選擇分辨率，是因?yàn)榇嬖诳刂普`差，通常在±10cnt，這里所說(shuō)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(huì)吃掉一部分精度。當(dāng)然這些是幾何誤差的范疇，可以通過(guò)測(cè)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(wú)法補(bǔ)償。
另外，很多時(shí)候，我們并不關(guān)心絕對(duì)定位精度，而只關(guān)心重復(fù)定位精度。一般來(lái)說(shuō)，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(huì)超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)，即1/10。比如，此例子中，一般來(lái)說(shuō)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(shuō)這么多吧。
好的，羅羅，我可以再問(wèn)最后一個(gè)問(wèn)題嗎？
你問(wèn)題真多，說(shuō)吧。
光柵尺的安裝最需要注意的地方是什么？說(shuō)一兩點(diǎn)就可以了。
第一，我覺(jué)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(lái)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。
作者: DianGongN 時(shí)間: 2019-8-12 07:34
通俗易懂，LZ總結(jié)的不錯(cuò)。
關(guān)于光柵尺長(zhǎng)度，和LZ討論一下。
我的經(jīng)驗(yàn)是100mm的移動(dòng)平臺(tái)，就選100mm的光柵尺，選長(zhǎng)了沒(méi)必要，可能沒(méi)有安裝空間。
100mm的光柵尺，極限長(zhǎng)度105mm以上，做限位保護(hù)足夠了。
作者: 277741987 時(shí)間: 2019-8-12 07:57
光柵尺簡(jiǎn)單地說(shuō)就是線性編碼器。
作者: 3983596 時(shí)間: 2019-8-12 07:58
學(xué)習(xí)了，感謝分享
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-12 08:12
|DianGongN發(fā)表于 08-12 07:34通俗易懂，LZ總結(jié)的不錯(cuò)。<br>
<br>
關(guān)于光柵尺長(zhǎng)度，和LZ討論一下。<br>
我的經(jīng)驗(yàn)是100mm的移動(dòng)平臺(tái)，就選100mm的光柵尺，選長(zhǎng)了沒(méi)必要，可能沒(méi)有安裝空間。<br>
100mm的光柵尺，極限長(zhǎng)度105mm以上，做限位保護(hù)足夠了。
我再補(bǔ)充一句，這里所說(shuō)的長(zhǎng)度，指的是實(shí)際可用長(zhǎng)度，而不是光柵尺的全長(zhǎng)，因?yàn)槿L(zhǎng)都會(huì)在可測(cè)量長(zhǎng)度基礎(chǔ)上加一個(gè)值，用于安裝固定。
不同的廠商全長(zhǎng)不一樣，比如海德漢，最典型的是ML+10，ML+28，ML+38。這里的ML是測(cè)量長(zhǎng)度，Measuring length
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-12 08:13
是的，老鐵
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-12 08:14
感謝老鐵來(lái)頂帖
作者: DianGongN 時(shí)間: 2019-8-12 08:25
本帖最后由 DianGongN 于 2019-8-12 08:32 編輯
100mm的光柵尺，實(shí)際可用長(zhǎng)度大于100mm。
通常，增加長(zhǎng)度是沒(méi)有必要的。
我的測(cè)量平臺(tái)：x軸800mm y軸50mm z軸50mm；選用增量式光柵尺800，50，50。
實(shí)際可用測(cè)量空間，稍大于800*50*50。平臺(tái)說(shuō)明書(shū)注明空間800*50*50。限位齊全。
800的光柵尺，在平臺(tái)中，測(cè)程做到805沒(méi)有問(wèn)題。但是說(shuō)明書(shū)上面依然標(biāo)注800。
絕對(duì)光柵尺沒(méi)用過(guò)，也許要加長(zhǎng)？
作者: 柳建凱 時(shí)間: 2019-8-12 14:13
學(xué)習(xí)了
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-12 15:06
老鐵，你好
作者: 大白小白 時(shí)間: 2019-8-12 17:33
目前常見(jiàn)有哪些品牌，國(guó)產(chǎn)有哪些？謝謝
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-12 20:43
我們一般用海德漢或者雷尼紹，我最近了解了發(fā)格，國(guó)產(chǎn)的品牌不太清楚，沒(méi)用過(guò)
作者: 合富源 時(shí)間: 2019-8-12 20:48
學(xué)習(xí)了，謝謝
作者: 未來(lái)第一站 時(shí)間: 2019-8-12 21:46
學(xué)習(xí)了。
作者: 佛山放手自動(dòng)化 時(shí)間: 2019-8-13 09:26
樓主費(fèi)心了
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-13 11:57
老鐵你好，歡迎來(lái)關(guān)注，我公號(hào)同名
作者: 瑞香 時(shí)間: 2019-8-23 10:28
講的很好
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-23 10:41
感謝老鐵的支持！你的支持，是我繼續(xù)寫(xiě)下去的動(dòng)力。
打個(gè)廣告，公號(hào)：羅羅日記。
歡迎關(guān)注，一起做朋友。
作者: 心殤yang 時(shí)間: 2019-8-25 13:28
干貨，收藏謝謝樓主的分享
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-25 13:50
感謝老鐵支持
作者: btganzhe 時(shí)間: 2019-8-26 21:48
學(xué)習(xí)了，謝謝樓主分享
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-26 22:21
感謝老鐵來(lái)看帖
作者: 84151341 時(shí)間: 2019-8-27 09:29
講得仔細(xì)
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-27 09:50
|84151341發(fā)表于 08-27 09:29講得仔細(xì)<img class="emotion" src="http://www.mg7058.com/static/image/smiley/default/smile.gif" smilieid="1 border=" 0"="" alt="">
作者: wn464574401 時(shí)間: 2019-8-28 17:00
關(guān)于光柵尺原理，莫爾條紋怎么沒(méi)說(shuō)？
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-28 22:37
其實(shí)就是干涉，文中有說(shuō)的
作者: siaoma3160 時(shí)間: 2019-8-29 09:04
贊！
作者: LION_CTPJT 時(shí)間: 2019-8-29 09:55
長(zhǎng)知識(shí)了，感謝分享
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-29 11:54
老鐵，你好！
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-8-29 11:54
老鐵，你好！
作者: 孤鷹GE 時(shí)間: 2019-10-24 17:07
學(xué)習(xí)
作者: 看花切莫放杯閑 時(shí)間: 2019-12-23 16:07
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(duì)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。
作者: hj1230 時(shí)間: 2019-12-29 15:48
厲害了，感謝分享
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-12-29 16:23
感謝老鐵支持
作者: mingchundong 時(shí)間: 2019-12-30 10:30
實(shí)用！
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2019-12-30 11:29
感謝老鐵支持
作者: 機(jī)械學(xué)徒工2 時(shí)間: 2020-7-29 22:10
厲害
作者: wlj0202 時(shí)間: 2020-7-30 10:17
學(xué)習(xí)了
作者: 羅羅日記 時(shí)間: 2020-7-31 19:40
感謝支持
作者: zl-zyq 時(shí)間: 2024-1-18 12:13
學(xué)習(xí)了 感謝感謝
| 歡迎光臨 機(jī)械社區(qū) (http://www.mg7058.com/) |
Powered by Discuz! X3.4 |