偏心对光栅副性能的影响.pdf

(学 4 光学仪器 J 9 9 3年第 J 5卷第 j期 偏心对光栅副性能的影响 周 曹向群 黄胜军 丁 7 2 -一一 ，摘要：光 电蝙码器在计测、自控、机床、计算机、机器 等秆业 中有广泛应用，其核 部件 是光橱 副。本 文对光栅 I 中的动光栅 因偏m而带来的对精度、条纹 宽度、相位 变化等参数 的影响作 了详 细的分析 可以看 到偏心对这些参敷有比较 大的影响 因而 在 调 整过 程 中 力 争 把 动 光栅 中心 调 整 得 与其 旋 转 中，同 心。关 键 词：叠趣 生 ：谝，1 引言 随着电子技术和计算机技术的发展，光电编码器得到了广泛应l用。在编码器中光栅副是一 种高精度 的光 电传感器件，往往又是角度测量的实物基 准。编码器具有结构简单、体积小、重量 轻，受外 界 电干扰小 等优 点 可应用 于雷 达、数 控机 床、计算机 技术、自动测量、自动控 制等系 统。对光栅 副的研究，历来主要关 心其尺寸、栅 线长度、零位线结构，指示光栅的分相情况等 即 较多集 中于光栅副几何尺 寸 的研 究。由于偏心对光 栅副 的精度、莫尔条纹宽度、莫尔条纹反差 等将产生较大的影 响 固而本 文较 为集中地研 讨了偏心对光 电编码器 中的光栅副性 能的影 响。=；，圈 J度盘的偏 差 2 偏心对 精度的影 响 由于光 电编 码 器 中一般 采 用 单 头读 数 且 编 码 器 中光 栅 盘尺 寸较 小(直 轻 一 般 小 于 6 0 r a t a)偏 心对编码器精度有较 大影 响。图 l为偏 心的光栅副示 意图，由图可知：-浙江 大学光科 系，3 1 C,0 2 7 杭州 玉泉 维普资讯 http:/ 确心对 光栅副性 能的影 响局 月 田 5 =n(一)式中，为偏心时的光栅转 角，为刻 线张 角，为偏心方 向初始角，e为偏心量，为弧度与角 度秒的转换量，t为光栅盘 的刻 划半径。由于偏 心是 的正弦函数，其 最大值为 一 式 中 D为光栅刻划 中径。表 1 给 出了不同尺寸的光栅副 在不 同偏 心量下的角度误 差。从上表 中可以看到，偏 心带来的误 差是不容忽视 的，当我 们想把光栅 副的误差 控制在 一 之 内时，不计光栅盘 的误差，其 偏心数值 必须在 0 0 2 ram 左右(刻 划中径为 3 5 ram、4 0 ram 时)，对于刻划 中径为 3 0 ram 2 5 ram，2 0 ram的光栅 副 则不能小 于 0 0 1 5 ra m 左右。而对于刻划 中径 为 1 5 ram 的光栅 副，当偏心为 0 0 1 ram 时 其误差 已达 5，左 右了。为此给我 们一个很 深的启 迪，光栅盘直径小时，若要求角度误差较小，则偏 心调整是十分重要的 表 l 偏心 e(ram)带来的误差 、：000 l 0 0 02 0 00 5 0 0 l 吼 02 0 0 5 0 1 0 2 D(m m)40 1 0 3 2 0 51 3 4 4 r 8，5 l 7 34 4 t 35 n B _ 2 3 5 8 1 9 3 9 9 8掣 l 9 3 9 3 0 l 3 27 6 8 8 2 2 4 5 11 2 2 45 2 5 1 6 3 3 0 一 B2 2 7 5 5 13 8 2 7 5 5 2 0 2 0 6 41 1 0 3 1 u 3 4 4 6 8 8 t l 7 3 4 5 8 a 1 5 2 7 55 l 3 7 4 5 8 9 1 9 2 2 9 4 5 8 91 7 3 对裂相相位 的影 响 为 判别 方 向、抑制共 模、光学 细分、提高 分辩 率等，编 码器往往 需 要相 位差 9 O。的多 路信 号，因而指 示光栅常刻成裂相光栅形式。常用的 四相光栅一般上下左右排列(见图 2)。A、B、C、D四个窗 口中 B、C、D窗相 对于 A窗分别 有 e 4、e 2、3 P (P为节距)的相对 位移 即有 9 O。、1 8 0。、2 7 0。的相位差，偏心将影 响它们之 间的相位关系，偏 心对 A、B、C、D窗的相位影响为：2e F丽(一。嚆 一 咖(一 一=一 面 m【叩一 J 畦：s i n(一 一)L 一 一 J 2 e No，、-一 二 柚【平 一 一蜘 式 中 N o为光栅副 的刻 划线数。图 3画 出了 却=1 0。，=2 5 ram，直径 为 2 0 mm，4 0 mm，光栅 线数为 1 0 2 4、2 0 4 8线 同时，B、C、D窗相对于 A窗的最大相位变化。从 曲线上可知，B窗相对于 A窗，D窗相对于 C窗的相 位变化较大 即偏心对径 向排列的窗 口影响较大 而对周 向排列 的窗 口影 响较 小，特别 当光 栅 盘尺寸较小、节距较小 时，影响更大。当相位变 化较大 时 A、B、C、D窗之间的相对关系发生改 变，这时 系统将不能正常工作，一般 A、B、C、D窗相对相位 的允许变化值在 i2 0。3 0。之 间。维普资讯 http:/ 6 光学仪器 1 9 9 3年第 l 5卷 第 1期 3 60。2 70。1 80。90 0。圈 2四相指 示光击 I f 示 蔗舟 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0-0 8 0 1偏心 值(r n r n)DI N。=1 g 2 4，d=2 g N：20 t 8，d；4 0 No-1 02 4，d=4 0 B L No 1 0 2 4，d=蜘 现N。一 2口 拈，d一 柏 玛 一N。一 l 0 24，d 4 0 CN 一 1 0 2 4-d=4 0 C：N0=3 04 8-d=4 0 CrNo一 1 0 24 d=2 O 图 3 偏 心产 生的相位误 差图 4 偏心对光闸条纹的影响 光 电编码器 的光栅 剐中 一 由于采用零位光栅，因而一般在光 闸条纹状 态下 使用，但 如果动 光栅有偏心时，贝 会形成横 向条纹 两光栅偏心时产生的横 向条纹宽度可用下式计算：W一 4 e=堕2 e No 式中 为光栅 的角节距 N o为光栅线数。-表 2为不 同偏心 下的横 向条纹宽度 从 表上 可以看到：(1)随着偏心量的增大，横 向条纹宽度变小。对于直径为 d 0 ram，1 2 7 0 线 周 的光栅副偏心 0 3 ram 时，完全成 了横 向条纹 的接收情况。维普资讯 http:/ 偏 心对 光栅 副性 能的影 响一一周 月 明 7 (2)当直径变 小时，横 向条纹 的宽度 以平方 的趋势下降(3)随着 线数增加，横 向条纹变细速度线性增加。5 偏心对横 向条纹的葺 响 表 2 光栅偏心产生的横向条 纹(m D(ra m)0 00 5 0 0 1 0 0 2 0 0 5 0 1 0 2 0 3 2 0 4 8 2 4 5 4 1 2 2 7 61 4 2 4 5 1 2 3 S l 3 4 0 9 l 0 2 4 4 90 9 2 4 5 4 1 22 7 4 9 1 2 4 5 l2 3 8 2 l 0 0 0 5 0 2 7 2 51 3 1 2 5 7 5 0 3 25 1 l2 6 40 2 5 4 0 l 9 7 9 9 B 9 49 5 】9 B 9 B 9 3 3 1 2 7 0 3 9 5 8 】9 7 9 9 8 9 3 9 6 】9 8 9 9 5】2 9 8 l 7 4 9 0 g 24 5 9 1 24 5 2 0 4 8 8 1 4 3 0 7 l 5 3 6】4 1 5 l 0 1 0 2 4 l 2 2 7 30 7 l 2 3 6】3 J j 0 0 0 j 2 5 7 6 2 a 31 4 1 26 6 3 3 j 20 2 5 4 0 4 9 5 2 7 95 2 5 1 2 0 83 l 2 7 0 9 8 9 4 9 5 9 n9 4 9 2 5 1 6 5 5 1 Z 2 4 5 4 61 4 2 4 5 1 2 3 6 j 4 1 3 0 0 41 8 9 20 9 4 1 0 4 7 4 1 0 20 9 l 0 5 7 0 在编 码器应用中，有时也使 用光栅副 的横 向条纹 在光 电池列阵分相 中，莫 尔条纹 的宽度 需调整到 与光 电池 的有效通光 E l 径相等，确保各相信号间的 相位关 系 在编码器 中，通过调 节光栅副 动静光栅 的中心距得到要求宽度 的莫尔条纹 表 3为 不 同条纹宽度时所要求 的中心 距。当动光栅本身有偏心 e时，它在旋转过程中将附加带来条 纹宽度 的变化，这个变化值列 于 表 4 之 中。表 3不同条纹宽度所要求的中心距 2 s、f m珀)0 4 0 5 D 6 0 Df r、4 0 D 8】鼬 0 毗 3 6 D 4 9 0 9 讥 4 0 9】l 0 2 4 3 0 0 46 0 2 O 3 4 51 0 2 7 6J 0 2 30 l 2 0 0 20 45 0 1 5 3 4 01 2 27 0 1 02 3 4 0 0 4D 91 0 3 0 6 R 0 2 45 4 0 2 04 5 2(4 8 3 0 0 23 01 0 1 7 2 6 0 1 3 81 0 j 15 0 2 0 0 1 0 23 0 0 7 6 7 0 0 6l 3 6 0 0 5】3 表 4 5 ram条纹宽度中-距时偏心所产生的；纹宽 度 e 1 0 20 3 0 4 0 5 0 80 w(mm】4 5 5 4 l 7 3 85 a，5 7 3 拍 2 78 e 2 s 一 1 O 一 2 O 一 一 4 O 一5 o 一 5 O w(mm)5 5 6 6 2 5 7 J 8 】0 0 】2 5 l 0 0 2 D 口 3 0 0 2 5 0 l 2 5 7 O 一 8O 一 9 O 1 6 7 2 5 0 5 0 0 维普资讯 http:/ 8 光学仪器 1 9 9 3年 第 1 5 卷 第 1 期 6 结论 从以上分析 可知，动光栅的偏心对 于光栅副 的精度、条 纹宽 度 相位、裂相性 能等 都将带来 较大的影响，是调整 编码器 中光栅副不 可忽略的一个 重要 因素。7参考文献 1王因田主编 光 学计量倥 器设 计(上册)北京 机械 工业 出版牡 1 9 8 3 1 1 3-1 2 1 2 t向群主编 光学剐村技术论文精选 北京：机槭工业出版社 J 9 9 1 1 8 2-1 9 1 3 曹向群 t 曹维实 盘彤 光栅计量技木 杭州；浙江太学出版杜 1 9 9 1、2 9 9 3 1 9 Th e Ef f e c t o f Ec c e nt r i c i t y o n t h e Pe r f o r ma nc e o f B Gr a t i n g Pa i r Z 矗 Y u e-m i g ，C a o 一 n，胁 曲 一 狮 Ab s t r a c t：The p ho t o e l e c t r i c e nc o de r i s wi d e l y us e d i n t h e m e a s u r e me nt，a ut o ma tic c o nt r o l，l a t h e，c o mp u t e r，r o b o t，e t C I t s ma i n p a r t i s t h e g r a t i ng p ai r Th i s pa p e r a na l y z e s t h e ef f e c t o f e c c e nt r i ci t y o f t h e gr a t i n g p a i r s i n de x gr an g o n t he p a r a m e t e r s，s uc h a s a c c u r a c y，f r i ng e wi d t h，p h a s e s hi f t Th e a na l ys i s s h ows t ha t t he e c ce n t r i c i t y ha s a g r e a t e f f e c t 0n t h e p a r a m e t e r s So t he i nd e x g r a t i n g s h ou l d b e a d j u s t e d t o b e c o n c e n t r i c wi t h j t r o t a t i n g c e n t e r Ke y W o i s：Gr at i n g，En c o d e r 。：0 ，消 息 ，：一 、第四代双频激干涉仪诞生 中国计量科学研 究院 与北京精密激光仪器厂最近合作推出第四代双频激光 干涉仪。它是 不断改进、不断创新 中诞生 的 新一代激光 测量仪器。该仪 器主要用于 测量长度(O 6 0 m)，配上 附件还可 用于小角度、直 线度、垂直度、平面度等 测量，是一种多功能、准确度高的仪器，广泛适 用于机械、电子、船舶、航空辞行业 对线纹尺、光栅、磁尺、感应同步器的检测更为方便 该仪器采用美国 U n i p h a e 全内腔激光管作光源，使用寿命选 1 2 万小时，所用的稳频和微 机技术 为国内首创 它获褐 全 国第一届发 明展览会发明银质奖。该仪器 的最 大特点是集：激光器、激光 电源、稳频器 于一体，结 构紧凑，体 积小，抗干扰能 力 强，性能稳定，携带方便，更i 置用于生产车间和实验 现场 使用 该仪器在国 内外同类 产品 中，性 能价格 比最优 替代国外同 类 产品，一年可为国家节 省外 汇 6 0万美元(摘 自 中 国仪 器 仪 表 报 )De p a r t me t o f Ph o t o-e l e c t r i c a n d s d e n f I n s t r u me n t a l E n g i n e e r i n g Zh e a n 8 Un i v e r s i t y 3 1 0 0 2 7 Ha n E z h o u 维普资讯 http:/