海德漢HEIDENHAIN光柵尺*

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。大長度測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。對測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。對位置信息來自光柵碼盤，它由一系列對碼組成。單獨(dú)的增量刻軌信號用于在細(xì)分后得到位置值，同時(shí)也生成供選用的增量信號（與接口類型有關(guān)）。增量測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)（測量步距數(shù)）獲得。由于必須用對參考點(diǎn)確定位置值，因此測量基準(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位置值可以精確到一個(gè)信號周期。因此，必須通過掃描參考點(diǎn)建立對基準(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)測量范圍上的較大部分。為加快和簡化“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到非常細(xì)的線條，通常不超過幾微米寬，而且能生成信號周期很小的輸出信號。簡單地說成像掃描原理是用透射光生成信號：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運(yùn)動(dòng)。掃描掩膜的基體是透明的，而作為測量基準(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)光柵相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過光柵尺的光得到調(diào)制：如果狹縫對齊，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。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。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量信號。階梯狀光柵用作測量基準(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掃描原理。只需一個(gè)掃描場生成掃描信號。與四場掃描不同，單場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┯绊懶盘柗至抗鈴?qiáng)，因此等量影響掃描信號。輸出信號幅值雖有變化，但無偏移和無相位變化。這些信號仍可進(jìn)行高倍頻細(xì)分使單信號周期內(nèi)的位置誤差保持很小。此外，大面積掃描場還能降低對污染的敏感性。這常?？梢员苊夤鈻懦呤?。這一點(diǎn)對于LIDA 400和LIF 400尤其突出，相對其柵距，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。位置誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光柵尺精度等級對應(yīng)的誤差值。敞開式直線光柵尺的自身特點(diǎn)是其測量基準(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，使這種測量基準(zhǔn)的抗污染能力非常出眾。信號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輸出信號有輕微影響。特別是光柵尺帶與讀數(shù)頭間要求的間隙誤差（掃描間隙）對信號幅值影響極小。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幅值間關(guān)系。光電池將這些交變的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化成電信號。掃描掩膜與光柵尺帶的相對運(yùn)動(dòng)使*級的衍射光產(chǎn)生相位移：當(dāng)光柵移過一個(gè)柵距時(shí)，前一級的+1衍射光在正方向上移過一個(gè)光波波長，-1衍射光在負(fù)方向上移過一個(gè)光波波長。由于這兩個(gè)光波在離開掃描光柵時(shí)將發(fā)生干涉，光波將彼此相對移動(dòng)兩個(gè)光波波長。也就是說，相對移動(dòng)一個(gè)柵距可以得到兩個(gè)信號周期。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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ERN1381-2048 385489-56 ERN1381.040-2048 608290-01
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ERN1185.003-2048 316278-58 ROD320.020-1000 538723-05
ROD320.005-1000 291843-04 ROD320.020-2000 291843-06
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ROD320.007 ROD323 ROD436 ROD323.001-1024 237974-01
ROD323.031-1024 377101-5R RON350-2048 254426-04
ROD431.001-2048 317393-03 ROD431-1024 317393-52
ROD431.001-1024 309288-01 ROD431.020-1024 538727-02