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777000 PILZ安全光柵

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    德國PILZ皮爾茲光柵尺是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置

PILZ光柵尺,也稱為PILZ光柵尺位移傳感器(PILZ光柵尺傳感器),,是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置,。PILZ光柵尺經(jīng)常應用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中,可用作直線位移或者角位移的檢測,。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖,,具有檢測范圍大,檢測精度高,,響應速度快的特點,。例如,在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測,,來觀察和跟蹤走刀誤差,,以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。PILZ光柵尺按照制造方法和光學原理的不同,,分為透射光柵和反射光柵,。

PILZ光柵尺是由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。圖1所示的就是PILZ光柵尺的結構,。

光柵檢測裝置的關鍵部分是光柵讀數(shù)頭,,它由光源、會聚透鏡,、指示光柵,、光電元件及調(diào)整機構等組成。光柵讀數(shù)頭結構形式很多,,根據(jù)讀數(shù)頭結構特點和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭,、鏡像式讀數(shù)頭,、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭),。

莫爾條紋

以透射光柵為例,,當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ,并且兩個PILZ光柵尺刻面相對平行放置時,,在光源的照射下,,位于幾乎垂直的柵紋上,形成明暗相間的條紋,。這種條紋稱為“莫爾條紋” (圖2所示),。嚴格地說,莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直,。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度,,以W表示。

W=ω /2* sin(θ /2)=ω /θ ,。

莫爾條紋具有以下特征:

(1)莫爾條紋的變化規(guī)律

兩片光柵相對移過一個柵距,,莫爾條紋移過一個條紋距離。由于光的衍射與干涉作用,,莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù),,變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。

(2)放大作用

在兩光柵柵線夾角較小的情況下,,莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω,、柵線角θ之間有下列關系。式中,,θ的單位為rad,,W的單位為mm。由于傾角很小,,sinθ很小,,則

W=ω /θ

若ω =0.01mm,θ=0.01rad,,則上式可得W=1,,即光柵放大了100倍。

(3)均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成,,例如每毫米100線的光柵,,10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋,這樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了,,消除了由于柵距不均勻,、斷裂等造成的誤差。

檢測與數(shù)據(jù)處理

電子細分與判向法

光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。高分辨率的PILZ光柵尺一般造價較貴,,且制造困難,。為了提高系統(tǒng)分辨率,需要對莫爾條紋進行細分,,PILZ光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時,,在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋,,隨著光柵的移動,莫爾條紋也隨之上下移動,。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量,。

在一個莫爾條紋寬度內(nèi),按照一定間隔放置4個光電器件就能實現(xiàn)電子細分與判向功能,。例如,,柵線為50線對/mm的PILZ光柵尺,其光柵柵距為0.02mm,,若采用四細分后便可得到分辨率為5μm的計數(shù)脈沖,,這在工業(yè)普通測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量,,即要檢測其大小,,又要檢測其方向,因此至少需要兩路相位不同的光電信號,。為了消除共模干擾,、直流分量和偶次諧波,通常采用由低漂移運放構成的差分放大器,。由4個光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端,,從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2,為得到判向和計數(shù)脈沖,,需對這兩路信號進行整形,,首先把它們整形為占空比為1:1的方波。然后,,通過對方波的相位進行判別比較,,就可以得到PILZ光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數(shù),,可以得到PILZ光柵尺的位移和速度,。

PILZ光柵尺線位移傳感器的安裝比較靈活,可安裝在機床的不同部位,。

一般將主尺安裝在機床的工作臺(滑板)上,,隨機床走刀而動,讀數(shù)頭固定在床身上,,盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方,。其安裝方式的選擇必須注意切屑,、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時,,則必須增加輔助密封裝置,。另外,一般情況下,,讀數(shù)頭應盡量安裝在相對機床靜止部件上,,此時輸出導線不移動易固定,而尺身則應安裝在相對機床運動的部件上(如滑板),。

1,、PILZ光柵尺線位移傳感器安裝基面

安裝PILZ光柵尺傳感器時,不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床身上,,更不能安裝在打底涂漆的機床身上,。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導軌運動的方向平行度,。千分表固定在床身上,,移動工作臺,要求達到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi),。如果不能達到這個要求,,則需設計加工一件PILZ光柵尺基座。

基座要求做到:(1)應加一根與PILZ光柵尺尺身長度相等的基座(最好基座長出PILZ光柵尺50mm左右),。(2)該基座通過銑,、磨工序加工,保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內(nèi),。另外,,還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm,。安裝時,,調(diào)整讀數(shù)頭位置,達到讀數(shù)頭與PILZ光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右,,讀數(shù)頭與PILZ光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右,。

2、PILZ光柵尺線位移傳感器主尺安裝

將光柵主尺用M4螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上,,但不要上緊,,把千分表固定在床身上,移動工作臺(主尺與工作臺同時移動),。用千分表測量主尺平面與機床導軌運動方向的平行度,,調(diào)整主尺M4螺釘位置,使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時,把M2螺釘上緊,。


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