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非接触光栅测量系统

摘要：雷尼绍的光栅系统基于创新的非接触式光学结构。这种设计在实现零机械滞后和精确测量的同时，还具有极强的抗污能力。如灰尘、轻度油渍和划痕等，不影响信号的完整性。这些都确保了机器能够可靠地运行，无需过多的维护。除此之外，此系统还以其易于安装而享誉业界。栅尺有多种长度可供选择，背面自带不干胶的特别设计使得安装时无需钻孔螺钉压紧，从而节省了时间和成本。所有读数头和接口都由获得专利的LED安装状态指示灯监控，提高了安装速度，而且无需示波器及其他复杂的安装监控装置。

关键字：非接触式 光栅 测量

1 雷尼绍光栅世界
30多年来，Renishaw一直是计量、即测量科学领域的创新者，实现了按照国标标准进行测量。雷尼绍提供品种繁多的紧凑型光学式光栅及磁式编码器，能够满足工业自动化领域的不同需求。
雷尼绍的光栅系统基于创新的非接触式光学结构。这种设计在实现零机械滞后和精确测量的同时，还具有极强的抗污能力。如灰尘、轻度油渍和划痕等，不影响信号的完整性。这些都确保了机器能够可靠地运行，无需过多的维护。除此之外，雷尼绍的光栅系统还以其易于安装而享誉业界。栅尺有多种长度可供选择，背面自带不干胶的特别设计使得安装时无需钻孔螺钉压紧，从而节省了时间和成本。所有读数头和接口都由获得专利的LED安装状态指示灯监控，提高了安装速度，而且无需示波器及其他复杂的安装监控装置雷尼绍不仅提供优异的产品性能，还提供无与伦比的技术支持，全球各地经验丰富的工程师会及时为您提供应用方面的建议和专业的安装支持服务。另外，为了确保您的生产进度不受影响，雷尼绍在全球的30多个分支机构备有库存，由于采用了灵活的制造技术，即使对于没有现货的产品也能迅速地制造并发货。雷尼绍光栅测量系统应用于工业自动化的所有领域，如半导体、电子、医疗、扫描、印刷、科研、空间测量、影像和专用机床等，其中包括精密测量和运动系统。通常说来，精密运动控制需要使用精密反馈光栅。

2 SiGNUM™ RELM高精度直线光栅
RELM高精度直线光栅重新定义了光栅的性能，具有高速、可靠、非接触的性能，它还具有IN-TRAC™内置刻划光学零位等先进功能。系统由SR读数头、Si细分盒和RELM 20μm栅距的因钢栅尺组成。RELM极为坚固，其优异的性能可与价格昂贵、栅距更小的光栅系统媲美。
RELM精度达±1μm，膨胀系数≈ 0.6μm/m/°C（0°C至30°C），分辨率达5nm，能够满足苛刻的精密运动的需求。SR读数头工作速度达12.5m/s，它采用了雷尼绍独特的光学滤波装置，具有极佳的抗污垢、灰尘和划伤的能力。参考零位的位置可设在栅尺的中心（RELM）或距栅尺端点20mm处(RELE)。Si细分盒还可以远距离安装，读数头电缆上的小巧插头可方便地在机器上空间位置狭小的地方走线。和所有SiGNUM™光栅一样，RELM光栅系统采用智能信号处理技术，确保了极好的可靠性和低周期误差（电子细分误差-SDE）。此外，包括蓝色LED“最佳”状态指示灯在内的内置安装状态指示灯和SiGNUM™软件使系统安装简便，并能对系统进行实时诊断。

图1.1 SiGNUM™ RELM系统 图1.2 SiGNUM™ 软件
2.1 RELM的特点
之所以使用RELM，是因为其有以下特色：
（1）IN-TRAC™内置刻划光学零位具有双向、可重复功能，甚至可以实现最高速度（12.5m/s）。
（2）动态信号控制确保了电子细分误差小于±30nm。如今，20um栅距的光栅
系统也能实现以前只有小栅距光栅才能达到的性能水准，另外它还具有抗灰尘和安装简便的特点。
（3）RELM栅尺由一种坚固、低膨胀的稳定合金—因钢制成，操作和安装都很方便。
（4）高精度（达±1um）和低热膨胀系数（<1.4μm/m/°C）使RELM因钢栅尺
适用于最精密的运动应用。
（5）安装方便。可使用机械夹具或背面自带的特殊配方不干胶直接安装在底层。
（6）内置的安装指示灯和功能全面的SiGNUM™软件使安装快捷简单，从而实现最佳性能，并可方便地对系统进行诊断。
（7） 双光学限位可在栅尺上提供行程终点指示。
2.2 SiGNUM™ RELM技术资料
2.2.1 RELM因钢栅尺
SiGNUM™ RELM系统由SiGNUM™ SR读数头、Si细分盒和RELM栅尺组成。RELM栅尺的材质为因钢，是一种低膨胀的镍/钢合金。栅尺以多种固定长度供应，最长可达980mm，也可根据客户的要求提供定制的长度。RELM的膨胀系数≈0.6μm/m/°C（0°C至30°C），精度可达±1 um，能够提供极高的精密反馈。坚固的因钢栅尺比传统玻璃栅尺具有更小的截面尺寸，但操作和安装更为简便，没有破损的风险。
雷尼绍的IN-TRAC™光学参考零位可设在RELM栅尺的中点或距栅尺端点(RELE) 20mm处。IN-TRAC™参考零位在规定的速度和温度范围内提供双向、可重复零位，而不增加整个系统宽度。还提供双限位光学开关的输出，使用用户定位标记提供栅尺行程终点指示。根据不同的需要，系统设计师可选择用夹具进行安装，也可用背面自带的特殊配方的不干胶和环氧树脂胶安装。

图2.1 SiGNUM™光学系统图示 图2.2 SDE（电子细分误差）图
2.2.2 SiGNUM™读数头和Si细分盒
RELM的测量基准是一个20μm栅距的平面反射“栅尺”。均匀的刻划周期对于取得好的光栅测量结果至关重要，但独创的SiGNUM™光学滤波系统不要求栅尺为优质的衍射光栅（狭缝），只要求有较好的光栅周期。读数头的光学信号来自于栅尺的反射光波。衍射光栅刻划面产生具有非周期性的栅尺“波纹”，如果有灰尘，那么它所产生的方波信号会被滤掉，在检测面留下一个纯正的正弦条纹区域。这里使用的是一个多条纹结构，它非常细，能够产生4个对称定相信号形式的光电流。这些结合在一起，用于产生具有高光谱纯度和低偏置值的正弦和余弦输出，同时保持500 kHz以上的带宽。通过动态调节各路信号增益、偏置量以及对SiGNUM™读数头内LED指示灯源的控制，这些信号的平衡和强度控制进一步得到增强。结果，固有的周期误差（电子细分误差 - SDE）通常小于±30 nm，相当于0.15%的光栅尺刻划周期。在SiGNUM™接口内通过CORDIC算法细分，分辨率可达5 nm。IN-TRAC™参考零位以黑线的形式内置于增量光栅尺中。此特性被光学滤波系统滤除，但被读数头内一个分离的光电检测器检测到。通过光学感应和门控电
路产生参考零位信号，在各种速度下都具有双向可重复性。与模拟通道有关的标定相位一安装即通过接口内的逻辑自动执行，并提供全面的系统监控和安装帮
助。

3 SiGNUM™ RELM高精度直线光栅系列产品
3.1 光栅尺
• 精度：精度可达±1μm，根据国际标准标定
• 低膨胀系数：因钢，≈0.6μm/m/° C（0° C至30° C）
• 用夹具或背面自带的特殊配方的不干胶安装
• IN-TRAC ™光学零位
• RELM ：参考零位在光栅尺的中点
• RELE ：参考零位距RELE光栅尺端点20mm
• 可装双光学限位输出
• 有各种长度可供选择，最长可达980mm
• 栅尺截面：1.5 mm x 15 mm

图3.1 光栅尺
3.2 SiGNUM™读数头和Si细分盒
• 动态信号处理使周期误差（ 电子细分误差- SDE） 小于±30 nm，具有“小栅距”光栅的性能
• 速度高达12.5 m/s
• 工作温度达85°C
• 多语言SiGNUM™软件简化了安装过程，通过USB连接PC机来提供系统诊断
• 读数头和接口上的内置LED 指示灯能够实现最佳安装和系统诊断
• 用户可选的AGC 保持1Vpp 的模拟信号幅值
• 读数头密封等级为IP64，接口密封等级为IP30
• 模拟信号输出，信号周期为20μm
• 数字信号，分辨率从5μm 到5 nm
• 有三态或差动线驱动的报警信号可选
• 警告和限位可被选为活动 - 高或活动 - 低
• 读数头：14.8 mm x 36.0 mm x 16.5 mm (H x L x W)
• 高柔性、UL 认可的电缆—在读数头和细分盒之间长达10 m，并提供新的防护等级IP68 内置接头选件

图3.2 SiGNUM™读数头和Si细分盒

4 SiGNUM™ RELM的应用
直线光栅现在已成为一系列应用中的运动控制的默认设置。新型SiGNUM™ RELM光栅系统为系统设计师提供了高性能和使用便利的完美平衡，其许多应用以前只能靠易损的小栅距光栅来实现。
4.1 晶片处理和切割
随着晶片尺寸的增加，晶片处理机需要更快、更精确，具有可靠的处理能力但又要求体积小巧，以有效利用工作空间。这样就需要满足很多条件，但为了保持行业领先地位，设备制造商一直在寻找新技术，以使其未来设计融入尖端技术。高性能运动部件，如空气轴承、直线电机和陶瓷导轨可提高机器的性能，但选择位置反馈光栅非常关键。利用一流的精度、重复精度、可靠性和速度，您可以依靠RELM为您的机器提供优势。
4.2 半导体检测
随着产品尺寸缩小，制造商面临着检测更小的“ 极难对付的” 瑕疵的挑战。自动光学检测系统 (AOI) 在此过程中扮演着重要角色，要求高性能的直线光栅提供精确的位置反馈。具有低膨胀系数的高精度光栅尺对许多高性能的光学检测机器来说都非常重要。
4.3 科学仪器
随着近年来纳米技术的发展，对于科学仪器精密运动反馈的要求不断提高。高精度、高分辨率和“超平稳”速度控制对于尖端研究极为关键。
4.4 焊线机 / 绑定机
在制造商努力提高新一代机器的指标时，许多人寻求位置反馈系统来提供更强大的性能。焊线机要求低CTE、重复精度和速度 — 这只是SiGNUM™ RELM众多优异性能中的三个。

5 总结
雷尼绍的光栅系统稳定可靠，我们实验室测量位移的时候一直使用这一类的光栅测量系统。尽管此类光栅系统已经很完善了，但总有让人不满意的地方。比如一般控制器对于高电平的设定为3V左右，而雷尼绍光栅尺的限位信号输出的高电平幅值大约只有500mv，这非常不利于控制器I/O的检测。而我们在二次开发的过程中，必须对光栅尺的限位信号进行采集，防止电机控制的光栅位移台走过头，造成光栅的损坏。这给我造成了很大的影响。最后我们不得不在位移台上安装了一个霍尔开关代替光栅尺自带的限位开关。当然，产品生产出来不可能面面俱到，兼顾到各类需求，这需要公司后期针对不同的用户对象不断的完善。

6 参考文献
[1]关于雷尼绍.雷尼绍测头. 2013-10-27
[2]雷尼绍光栅尺.道客巴巴网.
[3]英国雷尼绍Renishaw光栅测量系统.道客巴巴网.
[4]光栅尺Renishaw样本.道客巴巴网.
[5]光栅尺简介.道客巴巴网.