海德漢HEIDENHAIN光柵尺*
海德漢公司的光學(xué)掃描光柵尺或編碼器的測(cè)量基準(zhǔn)都是周期刻線－光柵。這些光柵刻在玻璃或鋼材基體上。大長(zhǎng)度測(cè)量用的光柵尺帶的基體為鋼帶。這種方法除了能刻制柵距非常小的光柵外，而且刻制的光柵線條邊緣清晰、均勻。再加上光電掃描法，這些邊緣清晰的刻線是輸出高質(zhì)量信號(hào)的關(guān)鍵。母版光柵采用海德漢公司定制的精密刻線機(jī)制造。對(duì)測(cè)量法是指編碼器通電時(shí)就立即提供位置值并隨時(shí)供后續(xù)信號(hào)處理電子電路讀取。無需移動(dòng)軸執(zhí)行參考點(diǎn)回零操作。對(duì)位置信息來自光柵碼盤，它由一系列對(duì)碼組成。單獨(dú)的增量刻軌信號(hào)用于在細(xì)分后得到位置值，同時(shí)也生成供選用的增量信號(hào)（與接口類型有關(guān)）。增量測(cè)量法的光柵由周期性刻線組成。位置信息通過計(jì)算自某個(gè)設(shè)置的原點(diǎn)開始的增量數(shù)（測(cè)量步距數(shù)）獲得。由于必須用對(duì)參考點(diǎn)確定位置值，因此測(cè)量基準(zhǔn)的光柵尺上還刻有一個(gè)參考點(diǎn)軌。參考點(diǎn)確定的光柵尺帶的對(duì)位置值可以精確到一個(gè)信號(hào)周期。因此，必須通過掃描參考點(diǎn)建立對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)或確定上次選擇的原點(diǎn)。zui差情況時(shí)，機(jī)床需要移動(dòng)測(cè)量范圍上的較大部分。為加快和簡(jiǎn)化“參考點(diǎn)回零”操作，許多海德漢光柵尺刻有距離編碼參考點(diǎn)，這些參考點(diǎn)彼此相距數(shù)學(xué)算法確定的距離。移過兩個(gè)相鄰參考點(diǎn)后（一般只需運(yùn)動(dòng)數(shù)毫米）（見下表），后續(xù)電子電路就能找到對(duì)參考點(diǎn)位置。大多數(shù)海德漢公司的光柵尺或編碼器都用光電掃描原理。光電掃描測(cè)量基準(zhǔn)是非接觸式掃描，因此無磨損。

這種光電掃描方法能檢測(cè)到非常細(xì)的線條，通常不超過幾微米寬，而且能生成信號(hào)周期很小的輸出信號(hào)。簡(jiǎn)單地說成像掃描原理是用透射光生成信號(hào)：兩個(gè)具有相同或相近柵距的光柵尺與掃描掩碼彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。掃描掩膜的基體是透明的，而作為測(cè)量基準(zhǔn)的光柵可以是透明的也可以是反射的。當(dāng)平行光穿過一個(gè)光柵時(shí)，在一定距離處形成明/暗區(qū)。具有相同或相近柵距的掃描光柵就在這個(gè)位置處。當(dāng)兩個(gè)光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過光柵尺的光得到調(diào)制：如果狹縫對(duì)齊，光線通過。如果一個(gè)光柵的刻線與另一個(gè)光柵的狹縫對(duì)齊，光線無法通過。光電池將這些光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。特殊結(jié)構(gòu)的掃描掩膜將光強(qiáng)調(diào)制為近正弦輸出信號(hào)。柵距越小，掃描掩膜和光柵尺帶間的間距越小，公差越嚴(yán)。如果對(duì)10 μm或更大柵距的編碼器進(jìn)行成像掃描，允許的編碼器安裝公差相對(duì)較大。干涉掃描原理是利用精細(xì)光柵的衍射和干涉形成位移的測(cè)量信號(hào)。階梯狀光柵用作測(cè)量基準(zhǔn)：高度0.2μm的反光線刻在平反光面中。光柵尺帶的前方是掃描掩膜，其柵距與光柵尺帶的柵距相同，是透射相位光柵。光波照射到掃描掩膜時(shí)，光波被衍射為三束光強(qiáng)近似的光：-1、0和+1。光柵尺帶衍射的光波中，反射的衍射光中光強(qiáng)強(qiáng)的光束為+1和-1。這兩束光在掃描掩膜的相位光柵處再次相遇，又一次被衍射和干涉。它也形成三束光，并以不同的角度離開掃描掩膜。海德漢HEIDENHAIN光柵尺*

海德漢公司的敞開式直線光柵尺特別適用于高速和精密機(jī)床。盡管機(jī)械結(jié)構(gòu)是敞開式的，但它抗污染能力強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好和安裝速度快和安裝方便。高質(zhì)量的光柵和掃描方式是直線光柵尺高精度和可靠工作的保證。海德漢公司的敞開式直線光柵尺用單場(chǎng)掃描原理。只需一個(gè)掃描場(chǎng)生成掃描信號(hào)。與四場(chǎng)掃描不同，單場(chǎng)掃描光柵尺上的局部污染（例如安裝時(shí)的手指印或?qū)к売偷挠偷挝廴荆┯绊懶盘?hào)分量光強(qiáng)，因此等量影響掃描信號(hào)。輸出信號(hào)幅值雖有變化，但無偏移和無相位變化。這些信號(hào)仍可進(jìn)行高倍頻細(xì)分使單信號(hào)周期內(nèi)的位置誤差保持很小。此外，大面積掃描場(chǎng)還能降低對(duì)污染的敏感性。這常?？梢员苊夤鈻懦呤А＿@一點(diǎn)對(duì)于LIDA 400和LIF 400尤其突出，相對(duì)其柵距，其掃描面積達(dá)14.5 mm2，以及LIC 4100達(dá)15.5 mm2。即使有3 mm以內(nèi)的打印機(jī)墨滴，印刷電路板粉塵，水滴或油滴，這些編碼器仍然可以輸出高質(zhì)量信號(hào)。位置誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光柵尺精度等級(jí)對(duì)應(yīng)的誤差值。敞開式直線光柵尺的自身特點(diǎn)是其測(cè)量基準(zhǔn)的抗污染能力較低。為此，海德漢公司采用*工藝生產(chǎn)非常堅(jiān)固耐磨的光柵。DIADUR工藝是將硬鉻線刻在玻璃或鋼基體上。OPTODUR和SUPRADUR工藝是在主反射層上加一層透光層。超細(xì)、堅(jiān)硬的鍍鉻層形成三維光學(xué)相位光柵。采用成像掃描原理的METALLUR光柵的結(jié)構(gòu)也非常類似。

實(shí)踐證明OPTODUR、SUPRADUR或METALLUR光柵測(cè)量基準(zhǔn)的抗污能力非常強(qiáng)，由于其刻線高度小，灰塵、污物或水滴難以留在其表面上，使這種測(cè)量基準(zhǔn)的抗污染能力非常出眾。信號(hào)周期越小一般也要求讀數(shù)頭與鋼帶光柵尺間的安裝公差越小。這是光柵的衍射作用造成的。只要間隙變化±0.1 mm，信號(hào)將衰減50%。但由于在光柵尺中采用了干涉掃描原理和創(chuàng)新的掃描掩膜技術(shù)以及成像掃描原理，即使很小的信號(hào)周期也能允許較大安裝公差。海德漢公司的敞開式直線光柵尺的安裝誤差只對(duì)輸出信號(hào)有輕微影響。特別是光柵尺帶與讀數(shù)頭間要求的間隙誤差（掃描間隙）對(duì)信號(hào)幅值影響極小。這是為什么海德漢公司的敞開式直線光柵尺具有高可靠性的原因。通過這兩幅圖可看出LIDA 400和LIF 400系列光柵尺掃描間隙與信號(hào)幅值間關(guān)系。光電池將這些交變的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。掃描掩膜與光柵尺帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使*級(jí)的衍射光產(chǎn)生相位移：當(dāng)光柵移過一個(gè)柵距時(shí)，前一級(jí)的+1衍射光在正方向上移過一個(gè)光波波長(zhǎng)，-1衍射光在負(fù)方向上移過一個(gè)光波波長(zhǎng)。由于這兩個(gè)光波在離開掃描光柵時(shí)將發(fā)生干涉，光波將彼此相對(duì)移動(dòng)兩個(gè)光波波長(zhǎng)。也就是說，相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距可以得到兩個(gè)信號(hào)周期。在反光的金層上覆蓋薄薄一層玻璃。在該層的鉻線只有數(shù)納米厚，半透明和起減振作用。海德漢HEIDENHAIN光柵尺*

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