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標(biāo)題: 光柵尺的原理是什么,？怎么選擇？供應(yīng)商都沒講明白,，6年了我第一次聽懂 [打印本頁]
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-12 00:02
標(biāo)題: 光柵尺的原理是什么,？怎么選擇？供應(yīng)商都沒講明白,，6年了我第一次聽懂
光柵尺的原理是什么,？
這個問題很多次閃現(xiàn)在我的腦海中，也多次百度,，但是都解釋得不太清楚,，或者一點都不形象，很難理解,。
因為最近的項目上用到了1D Plus光柵尺（后續(xù)我會專門寫寫這種光柵尺的應(yīng)用）,，我又想起了這個基本的問題，這次,，我通過多方的資源,，對光柵尺，比以前有了更多的認識,。
下面,，我用對話的方式,，分享一下,。
羅羅，我們很多運動平臺,，都會用到光柵尺,，用來做閉環(huán)控制，我想問一下,，光柵尺的原理的是什么,？
光柵尺啊，簡單理解就是一把尺子,。
打個比方,，游標(biāo)卡尺都用過吧,，再或者卷尺用過吧，尺子上面有刻度,，這些刻度作為基準(zhǔn),，你只需要把要測的物件，和卡尺上的刻度做比較,，就可以用來衡量長度,、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,，是通過光刻刻在尺子上的,，只不過，它不是通過人眼來讀取信息,，而是通過配套的讀數(shù)頭,，來讀取位置信息。
你的比喻,，我明白了,，但是實際原理是不是要復(fù)雜得多？
沒錯,。實際原理確實復(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，一個條紋和一個狹縫的寬度稱為柵距,，常見柵距20um,。
讀數(shù)頭每掃描一個柵距，就產(chǎn)生一個正弦波信號周期,，此信號再通過一個電子電路進行細分（讀數(shù)頭內(nèi)置的或者外部細分盒）,，比如5，10,，50,，100倍的細分，所以可以達到很高的分辨率,。
比如,，一個20um柵距，經(jīng)過50倍細分,，那一個周期就是0.4um,，這就是廠商說的分辨率。
我有點明白了。不過我還想問一下：讀數(shù)頭怎么可以掃描光柵讀取數(shù)據(jù)呢,？
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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)頭相對于光柵尺（Scale）移動時,，LED光在經(jīng)過了聚焦鏡后（Condenser lens），照射到光柵尺上,，然后光通過光柵狹縫,，衍射到讀數(shù)頭的光電探測器上（Photocells），這樣就在探測器平面上,，產(chǎn)生了明暗相間的正弦干涉條紋,。
接著，探測器把這些條紋,，轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號,，再經(jīng)過電路的放大和整形后，得到兩個相位差90度的正弦波,，或方波信號A和B,。
正弦波或方波的周期數(shù)，與移動距離成正比,。尺體正向移動時,，A信號超前B信號90度，尺體反向移動時,，A信號滯后B信號90度,。
如果轉(zhuǎn)換成方波信號，做4倍頻細分,，一個周期里有4個上升沿,，這個時候的分辨率只對應(yīng)著一個上升沿，也就是1/4周期（脈沖）,。
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需要注意的是,，實際情況，光電探測器和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，有一部分光會反射回去,，然后通過聚焦鏡,，照射回光電探測器,，形成電信號,。
我明白光柵尺的原理了。
那為什么不直接用卡尺測量呢？
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)，傳送到機器運動軸呢,，就更不用說位置沒有走對時,，如何去反饋做校正了。就算你用能夠輸出讀數(shù)的卡尺,，精度也沒有光柵尺的高嘛,。
那一般光柵尺的精度可以達到多少？
±15μm,，±5μm,，±3μm，±1μm都有,。
需要注意的是,，這里說的精度，是光柵尺的制造誤差,，指每走1m實際可能的誤差,，而如果小距離行走，誤差會更小,，比如±0.275μm/10mm,，±0.750μm/50mm，就是說運動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重要參考。
比如,，我們經(jīng)常希望一個軸的定位精度是±3um/100mm或者±5um/100mm之類的,，那么選擇光柵尺的時候，首先,，它的精度就要比這個要求高,，比如±0.5um/100mm或者±1um/100mm。
另外,，這里±1um/100mm并不能推導(dǎo)出±10um/1000mm,，因為這里沒有線性關(guān)系，往往光柵尺本身,，會標(biāo)注一兩個短行程誤差,。比如精度±10um/m，往往100mm內(nèi)的誤差會小于±1um,。
當(dāng)然,，讀數(shù)頭在細分信號的時候,，也會引入誤差，叫做差分誤差,，不過這個誤差很小,。比如一根光柵尺，柵距20um,，分辨率為0.1um,，周期誤差（電子細分誤差SDE）±0.15um。指的是柵距為20um的光柵,，經(jīng)過200倍細分,，分辨率是20/200=0.1um，在這20um的柵距內(nèi),，因為系統(tǒng)信號處理帶來的誤差是±0.15um,。
好的，我知道了,。
不過,，我還想知道，光柵尺的測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、光柵尺和末端點的距離有關(guān)系,，對溫度敏感的系統(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，光柵尺和末端點的距離都會影響阿貝誤差,。
溫度的上升和下降,，會導(dǎo)致光柵尺的熱膨脹，也會引入誤差,，因為基準(zhǔn)變化了,，讀數(shù)頭會認為是光柵尺有一個微小運動。
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,，大長度尺子，比如10米,、30米,，用鋼帶作為基體,。
至于說柵距怎么刻上去的,，前面也說了，是用光刻的原理刻上去的,。
那光刻是個什么東西,？我不是很理解，你能解釋一下嗎,？
好吧,，我來打個比方。
比如說,，你看集成電路板,，上面不是有一條一條金屬線么？
那個線不是畫上去的,，是整個刷一層銅到硅板上,，然后上面刷一層蠟，然后你用刀子把沒有導(dǎo)線的部分的蠟“刻”下去,，然后把這塊板子扔到腐蝕液里,，沒有蠟覆蓋的地方就會被腐蝕掉，然后你把它拿出來,，集成電路板就做好了,。
嗯，有點意思,，你繼續(xù)說吧,，光柵刻線怎么做出來的。
做光柵尺的時候呢,，也是這個樣子,，但是光柵尺上的柵距非常非常小，間距是微米級別的,，已經(jīng)沒有任何物理的刀子可以去刻出來了,，這個時候我們就用“光刻”了。
因為光可以被分的很纖細的,，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,，感光膜就會被“燒掉”,，然后這個時候你用一個上面畫著刻線的“紙片”,，去擋一下光，這樣就把光柵要保留的地方留下來了,，然后扔到對應(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，我還有一個問題,。
增量式光柵尺和絕對式光柵尺有什么區(qū)別,？分別用于什么場合？
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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,，通過和參考點的對比，來計算移動平臺所在的位置,。
由于必須用絕對參考點確定位置值,，因此增量光柵尺上，還刻有一個或多個參考點,。由參考點確定的位置值,，可以精確到一個信號周期，也就是分辨率,。絕大多數(shù)場合,，都使用這種光柵尺，因為它比絕對式光柵尺便宜,。
而絕對式光柵,，絕對位置信息來自光柵碼盤，它由一系列刻在尺子上的絕對碼組成,。所以,，編碼器通電時，就可立即得到位置值,，并隨時供后續(xù)信號電路讀取,，不用移動軸，執(zhí)行參考點回零操作,。
因為回零會浪費一定時間,，如果機器有多個軸，那么回零循環(huán)可能變得既復(fù)雜又耗時,。這種情況下,，使用絕對式光柵尺是有利的。
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,。
而絕對式光柵,，不會受到這種情況的影響，可確保高速和高分辨率運行,。這是因為位置根據(jù)需求和使用串行通信確定,。絕對式光柵最典型的應(yīng)用,，是表面貼裝技術(shù) (SMT) 行業(yè)中的貼片機,，在該行業(yè)中，同時提高定位速度和精度,，是永遠追求的目標(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，最大檢測速度,。
第五,，電接口及電線長度。
第六,，安裝方式及安裝空間,。
第七，抗振動性能,。
第八,，價格。絕對式光柵尺一般貴20%,。
一般來說,，精度和分辨率是我們選擇光柵尺的首要因素。
那我想問了,，如何根據(jù)定位精度,，或者是重復(fù)定位精度要求,，來選擇光柵尺？
這個,，我舉個例子吧,。
比如，要做一個行程100mm,，系統(tǒng)定位精度是±0.01mm(±10um)的移動平臺,，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,，而光柵尺本身的精度±0.5um也很常見。
關(guān)于分辨率,，之所以取定位精度的1/10來選擇分辨率,，是因為存在控制誤差，通常在±10cnt,，這里所說的1cnt,，是指的，在光柵尺本身分辨率基礎(chǔ)之上,，做了細分處理之后的分辨率,，通常有4倍或者8倍細分。
比如4倍細分,，那么上面分辨率為0.002mm的光柵尺,，分辨率將達到0.002mm/4=0.5um�,！�10cnt也就是±5um,，留了一倍的余量，這個主要考慮,，系統(tǒng)還存在機械誤差,，比如傳動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)剛性等,，這些因素也會吃掉一部分精度,。當(dāng)然這些是幾何誤差的范疇，可以通過測量,，獲得誤差曲線,，進行一部分的補償，但是，還是有不一部分動態(tài)誤差,，無法補償,。
另外，很多時候,，我們并不關(guān)心絕對定位精度,，而只關(guān)心重復(fù)定位精度。一般來說,，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,，最多不會超過一個數(shù)量級，即1/10,。比如,，此例子中，一般來說重復(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，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,，我就說這么多吧。
好的,，羅羅,，我可以再問最后一個問題嗎？
你問題真多,，說吧,。
光柵尺的安裝最需要注意的地方是什么？說一兩點就可以了,。
第一,，我覺得需要預(yù)留好調(diào)整空間吧，因為很多時候空間不足,，不好調(diào)整讀數(shù)頭,，造成調(diào)試花太多時間，維護也很麻煩,。安裝后必須進行精確調(diào)整,，根據(jù)指示燈的顏色來判斷調(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 時間: 2019-8-12 07:34
通俗易懂,，LZ總結(jié)的不錯。
關(guān)于光柵尺長度,，和LZ討論一下,。
我的經(jīng)驗是100mm的移動平臺，就選100mm的光柵尺,，選長了沒必要,，可能沒有安裝空間。
100mm的光柵尺,，極限長度105mm以上,，做限位保護足夠了。
作者: 277741987 時間: 2019-8-12 07:57
光柵尺簡單地說就是線性編碼器,。
作者: 3983596 時間: 2019-8-12 07:58
學(xué)習(xí)了,，感謝分享
作者: 羅羅日記 時間: 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,。<br>
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關(guān)于光柵尺長度,，和LZ討論一下。<br>
我的經(jīng)驗是100mm的移動平臺,，就選100mm的光柵尺,，選長了沒必要，可能沒有安裝空間,。<br>
100mm的光柵尺,，極限長度105mm以上，做限位保護足夠了,。
我再補充一句，這里所說的長度,，指的是實際可用長度,，而不是光柵尺的全長，因為全長都會在可測量長度基礎(chǔ)上加一個值，用于安裝固定,。
不同的廠商全長不一樣,，比如海德漢，最典型的是ML+10,，ML+28,，ML+38。這里的ML是測量長度,，Measuring length
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-12 08:13
是的，老鐵
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-12 08:14
感謝老鐵來頂帖
作者: DianGongN 時間: 2019-8-12 08:25
本帖最后由 DianGongN 于 2019-8-12 08:32 編輯
100mm的光柵尺,，實際可用長度大于100mm,。
通常，增加長度是沒有必要的,。
我的測量平臺：x軸800mm y軸50mm z軸50mm,；選用增量式光柵尺800，50,，50,。
實際可用測量空間，稍大于800*50*50,。平臺說明書注明空間800*50*50。限位齊全,。
800的光柵尺,，在平臺中，測程做到805沒有問題,。但是說明書上面依然標(biāo)注800,。
絕對光柵尺沒用過，也許要加長,？
作者: 柳建凱 時間: 2019-8-12 14:13
學(xué)習(xí)了
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-12 15:06
老鐵,，你好
作者: 大白小白 時間: 2019-8-12 17:33
目前常見有哪些品牌，國產(chǎn)有哪些,？謝謝
作者: 羅羅日記 時間: 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,，國產(chǎn)的品牌不太清楚,，沒用過
作者: 合富源 時間: 2019-8-12 20:48
學(xué)習(xí)了，謝謝
作者: 未來第一站 時間: 2019-8-12 21:46
學(xué)習(xí)了,。
作者: 佛山放手自動化 時間: 2019-8-13 09:26
樓主費心了
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-13 11:57
老鐵你好,，歡迎來關(guān)注，我公號同名
作者: 瑞香 時間: 2019-8-23 10:28
講的很好
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-23 10:41
感謝老鐵的支持,！你的支持,，是我繼續(xù)寫下去的動力。
打個廣告,，公號：羅羅日記,。
歡迎關(guān)注，一起做朋友,。
作者: 心殤yang 時間: 2019-8-25 13:28
干貨,，收藏謝謝樓主的分享
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-25 13:50
感謝老鐵支持
作者: btganzhe 時間: 2019-8-26 21:48
學(xué)習(xí)了，謝謝樓主分享
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-26 22:21
感謝老鐵來看帖
作者: 84151341 時間: 2019-8-27 09:29
講得仔細
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-27 09:50
|84151341發(fā)表于 08-27 09:29講得仔細<img class="emotion" src="http://giwivy.com.cn/static/image/smiley/default/smile.gif" smilieid="1 border=" 0"="" alt="">
作者: wn464574401 時間: 2019-8-28 17:00
關(guān)于光柵尺原理，莫爾條紋怎么沒說,？
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-28 22:37
其實就是干涉,，文中有說的
作者: siaoma3160 時間: 2019-8-29 09:04
贊！
作者: LION_CTPJT 時間: 2019-8-29 09:55
長知識了,，感謝分享
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-29 11:54
老鐵，你好,！
作者: 羅羅日記 時間: 2019-8-29 11:54
老鐵，你好,！
作者: 孤鷹GE 時間: 2019-10-24 17:07
學(xué)習(xí)
作者: 看花切莫放杯閑 時間: 2019-12-23 16:07
通常還和導(dǎo)軌的精度,、結(jié)構(gòu)剛性、光柵尺和末端點的距離有關(guān)系,，對溫度敏感的系統(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 時間: 2019-12-29 15:48
厲害了，感謝分享
作者: 羅羅日記 時間: 2019-12-29 16:23
感謝老鐵支持
作者: mingchundong 時間: 2019-12-30 10:30
實用,！
作者: 羅羅日記 時間: 2019-12-30 11:29
感謝老鐵支持
作者: 機械學(xué)徒工2 時間: 2020-7-29 22:10
厲害
作者: wlj0202 時間: 2020-7-30 10:17
學(xué)習(xí)了
作者: 羅羅日記 時間: 2020-7-31 19:40
感謝支持
作者: zl-zyq 時間: 2024-1-18 12:13
學(xué)習(xí)了 感謝感謝
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