光栅的种类和结构及工作原理

1.光栅的种类和结构
在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为反馈检测元件。光栅与前面讲的旋转变压器、感应同步器不同，它不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要激磁电压，而是利用光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。
光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅。前者是在透明的光学玻璃板上，刻制平行等距的密集线纹，利用光的透射现象形成光栅。后者一般用不透明的金属材料，如不锈钢板或铝板上刻制平行等距的密集线纹，利用光的全反射或漫反射形成光栅。透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1μm以上。从形状上看，光栅分为圆光栅和长光栅。前者用于角度测量，后者用于检测直线位移。两者工作原理基本相似。
2．光栅的结构和工作原理
光栅是由标尺光栅和光学读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床的活动部件上，如工作台。光栅读数头装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。标尺光栅和指示光栅的平行度及二者之间的间隙（0.05~0.1mm）要严格保证。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。
光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。如图6-9 所示为垂直入射读数头。读数头由光源、聚光镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路等组成。

1—光源；2—透镜；3—标尺光栅；4—指示光栅；
5—光电元件；6—驱动线路
当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小角度θ放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在 光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的条纹，这种条纹称为“莫尔条纹”。“莫尔条纹”与光栅的线纹几乎成垂直方向排列（见图6-10）。
莫尔条纹的特点：
（1）当用平行光束照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到光带的透过光的强度近似于正（余）弦函数。

（2）起放大作用：用W表示莫尔条纹的宽度，P表示栅距，θ表示光栅线纹之间的夹角，则

由于θ很小， 则

（3）起平均误差作用。莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的，这样栅距之间的相邻误差被平均化了，消除了栅距不均匀造成的误差。
（4）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当干涉条纹移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度W，若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也相反。莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。
3. 应用（光栅位移－数字转换系统）
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。