光栅尺原理、精度、增量式、绝对式、选型、安装、品牌

光栅尺，也被称为光栅位移传感器，是一种基于光栅光学原理进行工作的测量反馈装置。它广泛应用于数控机床的闭环伺服系统，能够用于直线位移或角位移的精确检测。

一、光栅尺原理：

1、简单理解：

简单理解就是一把尺子。

    打个比方，游标卡尺都用过吧，再或者卷尺用过吧，尺子上面有刻度，这些刻度作为基准，你只需要把要测的物件，和卡尺上的刻度做比较，就可以用来衡量长度、大小、深度等信息。

    同样地，光栅尺上也有“刻度”，这种刻度叫光栅，是通过光刻刻在尺子上的，只不过，它不是通过人眼来读取信息，而是通过配套的读数头，来读取位置信息。

2、实际原理：

    光栅尺的基本构成是光栅条纹和光电检测器。光栅是由一系列平行的条纹组成的线性光栅，条纹的宽度和间距非常小，精度可达到亚微米级别。光电检测器则是光电二极管或双晶电子扫描器等电子元器件，能够将光信号转化为电信号。

    光栅尺的工作原理主要基于物理上的莫尔条纹形成原理。当指示光栅与标尺光栅以一定角度放置时，两者上的线纹会相互交叉。在光源的照射下，这些交叉点附近的小区域会出现亮带，这是由于黑色线纹的重叠导致遮光面积最小，挡光效应最弱，进而光的累积作用使得该区域光线增强。而远离交叉点的区域，随着两光栅尺不透明黑色线纹重叠部分的减少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，挡光效应也随之变强。因此，这些区域的光线透过量减少，呈现出暗带的效果。通过这种亮暗相间的莫尔条纹变化，光栅尺实现了对位移或位置的精确测量。

    光栅读头通过检测莫尔条纹的个数，来“读取”光栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。这一过程实现了从光信号到电信号，再到数值信号的转化，最终得到物理量的数值输出。

    实际原理确实复杂很多：光栅是在玻璃或钢带尺上，制作的一系列条纹和狭缝，一个条纹和一个狭缝的宽度称为栅距，常见栅距20um。

    读数头每扫描一个栅距，就产生一个正弦波信号周期，此信号再通过一个电子电路进行细分（读数头内置的或者外部细分盒），比如5，10，50，100倍的细分，所以可以达到很高的分辨率。

     比如，一个20um栅距，经过50倍细分，那一个周期就是0.4um，这就是厂商说的分辨率。

    如下图，读数头中有和尺体栅距一样的指示光栅（Scanning reticle），并且读数头中本身有LED光源，当读数头相对于光栅尺（Scale）移动时，LED光在经过了聚焦镜后（Condenser lens），照射到光栅尺上，然后光通过光栅狭缝，衍射到读数头的光电探测器上（Photocells），这样就在探测器平面上，产生了明暗相间的正弦干涉条纹。

    接着，探测器把这些条纹，转换成正弦波变化的电信号，再经过电路的放大和整形后，得到两个相位差90度的正弦波，或方波信号A和B。

    正弦波或方波的周期数，与移动距离成正比。尺体正向移动时，A信号超前B信号90度，尺体反向移动时，A信号滞后B信号90度。

    如果转换成方波信号，做4倍频细分，一个周期里有4个上升沿，这个时候的分辨率只对应着一个上升沿，也就是1/4周期（脉冲）。

    需要注意的是，实际情况，光电探测器和LED在光栅尺的同一侧，都集成在读数头中。当光照射到光栅尺后，有一部分光会反射回去，然后通过聚焦镜，照射回光电探测器，形成电信号。

那为什么不直接用卡尺测量呢？

    一般卡尺只能人眼读数，怎么把你读到的数据，传送到机器运动轴呢，就更不用说位置没有走对时，如何去反馈做校正了。就算你用能够输出读数的卡尺，精度也没有光栅尺的高嘛。

二、光栅尺精度：

±15μm，±5μm，±3μm，±1μm都有。

    需要注意的是，这里说的精度，是光栅尺的制造误差，指每走1m实际可能的误差，而如果小距离行走，误差会更小，比如±0.275μm/10mm，±0.750μm/50mm，就是说运动10mm和50mm可能产生的误差分别是±0.275μm和±0.750μm，这是光栅的本身制造精度，也是选择光栅尺的一个重要参考。

    比如，我们经常希望一个轴的定位精度是±3um/100mm或者±5um/100mm之类的，那么选择光栅尺的时候，首先，它的精度就要比这个要求高，比如±0.5um/100mm或者±1um/100mm。

    另外，这里±1um/100mm并不能推导出±10um/1000mm，因为这里没有线性关系，往往光栅尺本身，会标注一两个短行程误差。比如精度±10um/m，往往100mm内的误差会小于±1um。

    当然，读数头在细分信号的时候，也会引入误差，叫做差分误差，不过这个误差很小。比如一根光栅尺，栅距20um，分辨率为0.1um，周期误差（电子细分误差SDE）±0.15um。指的是栅距为20um的光栅，经过200倍细分，分辨率是20/200=0.1um，在这20um的栅距内，因为系统信号处理带来的误差是±0.15um。

三、影响光栅尺测量精度的因素：

    通常还和导轨的精度、结构刚性、光栅尺和末端点的距离有关系，对温度敏感的系统，还和环境温度及光栅尺附近热源有很大关系。

    通常导轨有直线度和平行度误差，读数头只能读取到光栅尺位置的信息，而我们关心的位置通常不是光栅尺位置，而是结构上功能点的位置，也就是存在阿贝误差。

    结构刚性，光栅尺和末端点的距离都会影响阿贝误差。

    温度的上升和下降，会导致光栅尺的热膨胀，也会引入误差，因为基准变化了，读数头会认为是光栅尺有一个微小运动。

    光栅尺栅距这么小，那刻度是怎么刻上去的？光栅尺尺子一般都是哪些材料？

     上面已经提到了，光栅一般刻在玻璃或钢带基体上，玻璃一般用于短行程尺子，大长度尺子，比如10米、30米，用钢带作为基体。

     至于说栅距怎么刻上去的，前面也说了，是用光刻的原理刻上去的。

    那光刻是个什么东西？

     比如说，你看集成电路板，上面不是有一条一条金属线么？

    那个线不是画上去的，是整个刷一层铜到硅板上，然后上面刷一层蜡，然后你用刀子把没有导线的部分的蜡“刻”下去，然后把这块板子扔到腐蚀液里，没有蜡覆盖的地方就会被腐蚀掉，然后你把它拿出来，集成电路板就做好了。

做光栅尺的时候呢，也是这个样子，但是光栅尺上的栅距非常非常小，间距是微米级别的，已经没有任何物理的刀子可以去刻出来了，这个时候我们就用“光刻”了。

    因为光可以被分的很纤细的，光刻是在被刻材料表面铺一层感光膜，然后用光去照它，被光照到的地方，感光膜就会被“烧掉”，然后这个时候你用一个上面画着刻线的“纸片”，去挡一下光，这样就把光栅要保留的地方留下来了，然后扔到对应的液体里一泡，光栅尺也就做好了。

四、增量式光栅尺和绝对式光栅尺：

1、增量式光栅：由周期性刻线组成。位置信息的读取需要参考点，通过和参考点的对比，来计算移动平台所在的位置。

    由于必须用绝对参考点确定位置值，因此增量光栅尺上，还刻有一个或多个参考点。由参考点确定的位置值，可以精确到一个信号周期，也就是分辨率。绝大多数场合，都使用这种光栅尺，因为它比绝对式光栅尺便宜。

2、绝对式光栅：绝对位置信息来自光栅码盘，它由一系列刻在尺子上的绝对码组成。所以，编码器通电时，就可立即得到位置值，并随时供后续信号电路读取，不用移动轴，执行参考点回零操作。

    因为回零会浪费一定时间，如果机器有多个轴，那么回零循环可能变得既复杂又耗时。这种情况下，使用绝对式光栅尺是有利的。

    另外，从速度和精度方面考虑，增量式光栅的最大扫描速度，取决于接收电子装置的最大输入频率 (MHz) 和所需的分辨率。但是，由于接收电子装置的最大频率已固定，所以提高分辨率将导致最大速度相应降低，反之亦然。

    绝对式光栅，不会受到这种情况的影响，可确保高速和高分辨率运行。这是因为位置根据需求和使用串行通信确定。绝对式光栅最典型的应用，是表面贴装技术 (SMT) 行业中的贴片机，在该行业中，同时提高定位速度和精度，是永远追求的目标。

五、光栅尺如何选型：

第一， 是精度。

第二， 分辨率。

第三，行程。

第四，最大检测速度。

第五，电接口及电线长度。

第六，安装方式及安装空间。

第七，抗振动性能。

第八，价格。绝对式光栅尺一般贵20%。

一般来说，精度和分辨率是我们选择光栅尺的首要因素。

六、选型案例：

    如何根据定位精度，或者是重复定位精度要求，来选择光栅尺？

     比如，要做一个行程100mm，系统定位精度是±0.01mm(±10um)的移动平台，我们可以选择行程是120mm，精度是±0.5um/1m，分辨率是0.02/10=0.002mm的光栅尺。

     这样，行程有20mm的余量，可以用于做硬件保护，而光栅尺本身的精度±0.5um也很常见。

    关于分辨率，之所以取定位精度的1/10来选择分辨率，是因为存在控制误差，通常在±10cnt，这里所说的1cnt，是指的，在光栅尺本身分辨率基础之上，做了细分处理之后的分辨率，通常有4倍或者8倍细分。

    比如4倍细分，那么上面分辨率为0.002mm的光栅尺，分辨率将达到0.002mm/4=0.5um。±10cnt也就是±5um，留了一倍的余量，这个主要考虑，系统还存在机械误差，比如传动系统，结构刚性等，这些因素也会吃掉一部分精度。当然这些是几何误差的范畴，可以通过测量，获得误差曲线，进行一部分的补偿，但是，还是有不一部分动态误差，无法补偿。

     另外，很多时候，我们并不关心绝对定位精度，而只关心重复定位精度。一般来说，系统的重复定位精度的数值为定位精度的1/2～1/3，最多不会超过一个数量级，即1/10。比如，此例子中，一般来说重复定位精度在±0.01mm/2～±0.01mm/10=±0.005mm～±0.001mm之间。

    当然，还有一点，系统的重复定位精度，一般介于分辨率和定位精度之间。

七、光栅尺安装注意事项：

第一，预留好调整空间，因为很多时候空间不足，不好调整读数头，造成调试花太多时间，维护也很麻烦。安装后必须进行精确调整，根据指示灯的颜色来判断调整好坏。

另外，一般光栅尺的安装面，要和导轨面保持一定的平行度，比如0.1mm，这个要求，往往比安装的摇摆平行度要求高一倍，比如摇摆平行度要求0.2mm。

八、光栅尺如何实现高精度闭环控制：

在数控机床等精密加工和检测系统中，光栅尺的高精度测量能力是实现闭环控制的关键。闭环控制系统通过比较实际位置与期望位置的偏差，来调整执行机构（如伺服电机）的输出，从而实现对位置的精确控制。

光栅尺在闭环控制中的作用主要体现在以下几个方面：

 1. 实时反馈：光栅尺能够实时监测刀具和工件的坐标位置，将位置信息反馈给控制器。

 2. 误差补偿：通过比较实际位置与期望位置的偏差，控制器可以计算出需要调整的位移量，并通过伺服系统对刀具进行精确调整，实现误差补偿。

 3. 提高精度：光栅尺的高精度测量能力确保了闭环控制系统的精度，使得数控机床等设备的加工精度得到显著提升。

具体来说，光栅尺将测量到的位移信息转化为电信号，这些电信号经过处理后转化为数字脉冲信号或模拟信号。在数字控制系统中，这些信号被用来更新控制器的内部状态，从而实现对执行机构的精确控制。通过不断地反馈和调整，闭环控制系统能够实现对位置的持续精确控制。

九、总结：

    光栅尺作为一种基于光栅光学原理进行工作的测量反馈装置，在数控机床等精密加工和检测系统中发挥着重要作用。其工作原理主要基于莫尔条纹形成原理，通过检测莫尔条纹的变化来实现对位移或位置的精确测量。在闭环控制系统中，光栅尺能够实时反馈位置信息，实现误差补偿和提高加工精度。目前市面上常用的光栅尺品牌众多，各有特色，用户可以根据实际需求选择合适的型号和品牌。

     随着科技的不断发展，光栅尺的性能和精度将不断提高，其在数控机床和精密测量领域的应用也将更加广泛。未来，光栅尺将继续为制造业的智能化和精密化发展提供有力支持。

十、市面上常用的品牌：

海德汉

发格（FAGOR）

信和（SINO）

新天

万豪（WANHAO）

长光所

道尔

Ditron

GIVIMISURE

雷尼绍

三丰

RSF

MicroE

大连榕树光学

思特光学

雅科贝思

禹衡光学

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