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第03章数控原理
第1页，共58页，2022年，5月20日，2点50分，星期六
一、数控机床对位置检测装置的要求
位置检测装置的精度主要包括系统精度和分辨率。系统精度是指在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值，目前一般直线光栅。计量光栅具有测量精度高、响应速度快、量程宽等特点，所以在高精度的数控机床上，常使用光栅作为反馈检测元件，以实现闭环位置控制。
一、光栅的种类
计量光栅按形状可以分为直线光栅（又称长光栅）和圆光栅。直线光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测转角位移。
按制作原理又可分为玻璃透射光栅和金属反射光栅。
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1 、直线光栅
（1）玻璃透射光栅
玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅具有以下特点：
①光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单。
②每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100条、125条、250条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。
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（2）金属反射光栅
金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹。金属反射光栅常用的线纹数为每毫米4条、10条、25条、40条、50条，因此，其分辩率比玻璃透射光栅低。
金属反射光栅具有以下特点：
①标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致。
②标尺光栅的安装和调整比较方便。
③安装面积较小。
④易于接长或制成整根的钢带长光栅。
⑤不易碰碎。
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2. 圆光栅
（3）二进制，如圆周内的线纹数为：512、1 024、2 048等。
在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。根据不同的使用要求，在圆周内的线纹数也不相同。
圆光栅一般有3种形式：
（1）六十进制，如圆周内的线纹数为：10 800、21 600、32 400、64 800等。
（2）十进制，如圆周内的线纹数为：1 000、2 500、5 000等。
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光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，二者之间可产生相对移动，通常，标尺光栅移动，光栅读数头固定。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。
二、光栅的结构与工作原理
现以玻璃透射式直线光栅为例，说明其工作原理。
1、光栅的结构
图3-1所示为光栅尺的示意图，标尺光栅和指示光栅上均匀刻有很多线纹，这些线纹相互平行，黑色为不透光线纹（宽度a），白色为透光条纹（宽度b），栅距（d）为黑白线纹宽度之和，即d=a+b，通常情况下，a=b。安装光栅尺时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙()要求。
图3-1光栅尺
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图3-2所示为光栅读数头（又称光电转换器），它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动电路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的电路。
图 3-2光栅读数头，
根据不同的要求，读数头内常安装2个或4个光敏元件。
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（a）分光读数头 （b）反射读数头 （c） 镜像读数头
光栅读数头的结构形式，除图3-2的垂直入射式之外，按光路分，常见的还有分光读数头、反射读数头和镜像读数头等，其结构原理如图3-3(a)、(b)、(c)所示。图中Q表示光源，L表示透镜，G表示光栅尺，P表示光敏元件，Pr表示棱镜。
图3-3 光栅读数头
玻璃透射式直线光栅，容易受外界气温的影响而产生误差灰尘、