|
光柵尺的原理是什么？ 這個問題很多次閃現在我的腦海中，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（后續我會專門寫寫這種光柵尺的應用），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，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雜得多？ 沒錯。實際原理確實復雜很多：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。 讀數頭每掃描一個柵距，就產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（讀數頭內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：讀數頭怎么可以掃描光柵讀取數據呢？
Direc3.png (145.69 KB, 下載次數: 233)
下載附件
保存到相冊
2019-8-12 00:00 上傳
如上圖，讀數頭中有和尺體柵距一樣的指示光柵（Scanning reticle），并且讀數頭中本身有LED光源，當讀數頭相對于光柵尺（Scale）移動時，LED光在經過了聚焦鏡后（Condenser lens），照射到光柵尺上，然后光通過光柵狹縫，衍射到讀數頭的光電探測器上（Photocells），這樣就在探測器平面上，產生了明暗相間的正弦干涉條紋。 接著，探測器把這些條紋，轉換成正弦波變化的電信號，再經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，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著一個上升沿，也就是1/4周期（脈沖）。
Direc1.png (50.39 KB, 下載次數: 223)
下載附件
保存到相冊
2019-8-12 00:01 上傳
Reflect1.png (48.93 KB, 下載次數: 211)
下載附件
保存到相冊
2019-8-12 00:01 上傳
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，都集成在讀數頭中。當光照射到光柵尺后，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？ 你真調皮，一般卡尺只能人眼讀數，怎么把你讀到的數據，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并不能推導出±10um/1000mm，因為這里沒有線性關系，往往光柵尺本身，會標注一兩個短行程誤差。比如精度±10um/m，往往100mm內的誤差會小于±1um。 當然，讀數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，經過200倍細分，分辨率是20/200=0.1um，在這20um的柵距內，因為系統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？ 通常還和導軌的精度、結構剛性、光柵尺和末端點的距離有關系，對溫度敏感的系統，還和環境溫度及光柵尺附近熱源有很大關系。 通常導軌有直線度和平行度誤差，讀數頭只能讀取到光柵尺位置的信息，而我們關心的位置通常不是光柵尺位置，而是結構上功能點的位置，也就是存在阿貝誤差。 結構剛性，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，會導致光柵尺的熱膨脹，也會引入誤差，因為基準變化了，讀數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別？分別用于什么場合？
Absolute vs incremental speed vs resolution.jpg (221.37 KB, 下載次數: 253)
下載附件
保存到相冊
2019-8-11 23:42 上傳
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，并隨時供后續信號電路讀取，不用移動軸，執行參考點回零操作。 因為回零會浪費一定時間，如果機器有多個軸，那么回零循環可能變得既復雜又耗時。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致最大速度相應降低，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。這是因為位置根據需求和使用串行通信確定。絕對式光柵最典型的應用，是表面貼裝技術 (SMT) 行業中的貼片機，在該行業中，同時提高定位速度和精度，是永遠追求的目標。 好的，明白了。 一般根據哪些數據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，如何根據定位精度，或者是重復定位精度要求，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，系統還存在機械誤差，比如傳動系統，結構剛性等，這些因素也會吃掉一部分精度。當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誤差，無法補償。 另外，很多時候，我們并不關心絕對定位精度，而只關心重復定位精度。一般來說，系統的重復定位精度的數值為定位精度的1/2～1/3，最多不會超過一個數量級，即1/10。比如，此例子中，一般來說重復定位精度在±0.01mm/2～±0.01mm/10=±0.005mm～±0.001mm之間。 當然，還有一點，系統的重復定位精度，一般介于分辨率和定位精度之間。 好了，關于光柵尺的選擇，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，我覺得需要預留好調整空間吧，因為很多時候空間不足，不好調整讀數頭，造成調試花太多時間，維護也很麻煩。安裝后必須進行精確調整，根據指示燈的顏色來判斷調整好壞。 另外，一般光柵尺的安裝面，要和導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。
| 
發表于 2019-8-12 00:02:12
QQ好友和群
QQ空間
