光栅尺

光栅尺原理及安装方式 一、位移传感器基本原理

光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅(即标尺光栅)和副光栅(即指示光栅)进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相间)的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。 二、位移传感器安装方式

光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。

一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上(如滑板)。 1、位移传感器安装基面

安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：①应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座(最好基座长出光栅尺50mm左右)。②该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。 2、位移传感器主尺安装

将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台(主尺与工作台同时移动)。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：

(1) 在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。

(2) 在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点(或几点)。 (3) 不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。 3、位移传感器读数头的安装

在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。 4、位移传感器限位装置

光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。 5、位移传感器检查

光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。 在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同(或回零)。另外也可使用千分表(或百分表)，使千分表与数显表同时调至零(或记忆起始数据)，往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。

通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。 三、位移传感器使用注意事项

(1)光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。

(2)尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。

(3)定期检查各安装联接螺钉是否松动。

(4)为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。

(5) 为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液(各50%)清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。

(6) 光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。

(7) 不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。

(8) 应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。 (9) 光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。

光栅的构造,光栅尺的构造和种类,光栅读数头

光栅的构造

光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，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移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及

两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。

1．光栅尺的构造和种类

光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间距离相等，我们称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为

25,50,100,125,250条／mm。对于圆光栅，若直径为70mm,一周内刻线100-768条；若直径为110mm，一周内刻线达600-1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必

须相同。 2．光栅读数头

图4-7是光栅读数头的构成图，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电

压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。

图 4-7 光栅读镜头

根据不同的要求，读数头内常安装2个或4个光敏元件。

光栅读数头的结构形式，除图4-7的垂直入射式之外，按光路分，常见的还有分光读数头、反射读数头和镜像读数头等。图4-8(a)、(b)、(c)分别给出了它们的结构原理图，图中Q表示光源，L表示透镜，G表

示光栅尺，P表示光敏元件，Pt表示棱镜。

图 光栅读镜头结构原理图

（a）分光读镜头 （b）反射读镜头（c） 镜像读镜头

球栅尺与光栅尺的区别和优势

1：什么是球栅尺、它的优点是什么？

球栅尺（又叫球感尺、又有称球同步器的）是目前国际上最新一代长度测量传感器，它适用于各种机床的加工测量。它的优点是：

（1）采用全密封结构，球栅尺的高精度钢球和线圈均被完全密闭，可以在水中或油中工作。

（2）尺体为金属结构，保护良好，不会因冷却水、冷却液、金属粉末或尘土等的影响而污损，抗污染能力强。

（3）壳体刚性强、密封好，即使用喷气枪清洗机床时，直接喷射到球栅尺也不会被损坏。

（4）基准钢球的线胀系数与钢铁相同，对车间温度变化不敏感。 （5）能在强磁场和强幅射条件下工作，可用于原子反应堆。 （6）耐振动、安装简便、不用日常维护等优点。 2：光栅尺与球栅尺有什么区别？

光栅尺是上世纪70年代的日本产品，它是利用光栅的莫尔条纹和光电转换技术，在3mm的浮法玻璃上镀铬刻1μ为一道的透明长度尺，然后把它粘在铝尺上。靠光折射或透射反馈到感应器中进行计量。而铝和玻璃的膨胀系数不一样，冷热温差大时极易折断。光栅尺的传感器与尺的连接是敞开式的，极易进水、油、

灰尘等。一旦进去这些油、水、灰尘等光栅尺就基本报废了。整体尺只能为3米，接长较难、精度难保证。所以光栅尺对环境要求相对较高，安装较复杂、使用寿命短，而且必须要由专业人员安装才行。

球栅尺是国际九十年代产品，原产地为英国。它是利用导磁介质量的变化实现电磁/磁电转换。球栅尺的尺身是由高等级的进口无缝钢管和若干个精密钢球密闭组合而成。它由感应器产生的电磁切割钢管中的精密球，把它分割成2450份而每份为5μ。由于球栅尺是密闭结构，所以它最大优点是不怕油、水、灰尘，整体尺可做到8米、拼接可做30米。而且使用寿命长、安装简单、环境要求低。 3：光栅尺的分辨率同球栅尺的分辨率为什么不同？

一般光栅分辩率是1μ，球栅的分辩率是5μ。但分辩率不等同于精确度，光栅只是1μ一显示、而球栅有1μ一显示的、也有5μ一显示的，它们都采用以mm单位的十进制。由于光栅是累计误差，而球栅是周期性误差。所以短的光栅尺精度较高，长的球栅尺精度要高于光栅尺的精度。 4：安装光栅尺或球栅尺效益比较

光栅尺在3米以下的价格一般是球栅尺价格的50%，3米以上的至8米的光栅同球栅价格基本一样。8米至10米的光栅尺价格要高出球栅尺价格20%，10米至12米的光栅尺价格要高出球栅尺价格50%。从短尺价格比较光栅尺要便宜，但光栅的使用寿命一般是3年，而球栅的使用寿命在10年以上。从长尺比较球栅的优势就更多了。所以总体说安装球栅尺的效益要好于光栅尺。 5：编码器是什么

编码器就是圆光栅，测角位移。测完圈数、角度换算成周长。 6：同步传感器是什么

又称电栅也是用于直线测量的，原理是靠二路信号的电磁感应。也具有不怕油、水、灰，但由于精度低以被淘汰了。 7：磁栅是什么

它是利用磁性栅尺和磁头实现电磁/磁电转换的。具体是一个钢片带磁，由一个读数头在里面走提出信号。 8：如何安装球栅尺

球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支架固定在机床上。读数头固定在机床的走刀架上，与球栅尺做相对运动。有时小机床也可把读数头固定、球栅尺做运动。

3米以上的球栅尺（含3米），要在尺的中间加装弹性支架。一般1.5米距离装一个弹性支架。

8米以下的（含8米）球栅尺不用接，8米以上的尺需要接长。如10米的球栅尺要取两根4.9米的钢管、各在一端内径车扣。再取0.2米的钢管一根,两端都在外径上车扣。然后它们都装上等量的钢球拧上即可。

安装数显表时要注意尽可能远离机床的电动机。以避免产生不必要干扰信号。

9：安装球栅尺的好处是什么

安装球栅尺从真正意义上说，是从被动测量向主动测量转变。由离线测量转向在线测量。大大提高了产品的加工精度和工作效率，实现了二级工可以干八级工的工作。

由于球栅尺最长可以做到30米，所以特别适合安装在大型或超大型机床上。如龙门铣床、镗床等。一般机床安装球栅尺后可提高工效20%以上，镗床精加工可节约工时30%。安装球栅尺的成本90天即可收回。一台重型9米立车平均提高工效38%，仅半年节约工时费即达20万元，一台英国镗床半年节约工时达30万元之巨。

又由于它对安装环境没有要求，精度高、操作简单、耐使用。所以非常适合对老工业企业的各式机床的改造。可谓是一种投资少见效快的最佳改造方案。 附：浮法玻璃-简介

浮法玻璃：

浮法玻璃是我国上世纪70年代末，由洛阳玻璃厂率先引进英国皇家浮法玻璃生产线。 它是在锡槽里，玻璃浮在锡液的表面上出来的。因此，这种玻璃首先是平度好，没有水波纹。

用于制镜、汽车玻璃。不发脸，不走形，这是它的一大优点。

其次是浮法玻璃选用的矿石石英砂，原料好。生产出来的玻璃纯净、洁白，透明度好。明亮、无色。没有玻璃疔，气泡之类。

第三是结构紧密、重，手感平滑，同样厚度每平方米比平板比重大，好切割，不易破损。 浮法生产的成型过程是在通入保护气体（N2及H2）的锡槽中完成的。熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上，在重力和表面张力的作用下，玻璃液在锡液面上铺开、摊平、形成上下表面平整、硬化、冷却后被引上过渡辊台。辊台的辊子转动，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑，经退火、切裁，就得到平板玻璃产品。

浮法玻璃-备注

浮法与其他成型方法比较，其优点是：适合于高效率制造优质平板玻璃，如没有波筋、厚度均匀、上下表面平整、互相平行；生产线的规模不受成形方法的限制，单位产品的能耗低；成品利用率高；易于科学化管理和实现全现机械化、自动化，劳动生产率高；连续作业周期可长达几年，有利于稳定地生产；可为在线生产一些新品种提供适合条件，如电浮法反射玻璃、退火时喷涂膜玻璃、冷端表面处理等。