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777000 PILZ安全光柵

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應(yīng)用系統(tǒng) 透射/反射光譜

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    德國PILZ皮爾茲光柵尺是利用光柵的光學(xué)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(xué)原理工作的測量反饋裝置。PILZ光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)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(yīng)速度快的特點。例如,在數(shù)控機(jī)床中常用于對刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測,來觀察和跟蹤走刀誤差,以起到一個補(bǔ)償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。PILZ光柵尺按照制造方法和光學(xué)原理的不同,分為透射光柵和反射光柵。

PILZ光柵尺是由標(biāo)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(jié)構(gòu)。

光柵檢測裝置的關(guān)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(jī)構(gòu)等組成。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多,根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)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(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)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(yán)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(guān)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?xùn)啪嘀g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(xì)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(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)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(jìn)行細(xì)分,PILZ光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng)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(xì)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(xì)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(dá)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(gòu)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)床的不同部位。

一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺(滑板)上,隨機(jī)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(yīng)盡量安裝在相對機(jī)床靜止部件上,此時輸出導(dǎo)線不移動易固定,而尺身則應(yīng)安裝在相對機(jī)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(jī)床身上,更不能安裝在打底涂漆的機(jī)床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機(jī)床工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)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(dá)到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。如果不能達(dá)到這個要求,則需設(shè)計加工一件PILZ光柵尺基座。

基座要求做到:(1)應(yīng)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(dá)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(jī)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(jī)床導(dǎo)軌運動方向的平行度,調(diào)整主尺M(jìn)4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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