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光栅尺解析度、分辨率及脉冲输出

来源:  点击次数:  发布日期:2018-12-5 18:01:46

 一、 结构和工作原理

    光栅尺由有标尺光栅(尺体)和读数头两部分组成。尺体装在移动部件上,读数头装在固定部件上。也有人把读数头装在移动部件上(针对尺体移动不方便的情况),测量效果是一样的,不一样的是信号线移动不方便。

光栅尺安装在铣床上

尺体移动就是一对光栅中的主光栅(标尺光栅)和副光栅(指示光栅)进行相对位移,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(莫尔条纹)。经过光电器件使黑白(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。有些光栅尺还输出一个Z信号(回零信号)。

 

二、 栅距和分辨率

    等距的密集线纹,利用光的透射现象形成光栅,线纹的间距称为栅距。以栅距20um(50线/mm)为例,假设不用其它措施,尺体每移动20um,读数头就输出一个周期信号,输出10个周期信号,表示移动了200um。栅距越小,测量精度越高,成本越高。在保持栅距不变的情况下,把输出的周期信号进行4倍细分处理,那么每移动20um,就输出4个周期信号,每个周期信号表示移动5um。厂商就称呼这个光栅尺的分辨率是5um,但这个5um并不是指栅距是5um。如果尺体移动距离低于20um,不管是多少细分处理,结果是输出0个周期信号。

 

三、 供电方式和输出信号

    供电方式常见的有直流5V和24V两种。为了方便与PLC配套使用,最好选择24V供电的。

    光栅尺的输出信号多数是方波信号,常见的有两种:一种是TTL电平信号,另一种是RS422差分信号。有些厂商还能订做集电极开路输出信号(NPN和PNP两种)。对于PLC来说,不是所有信号都适用。PLC的主单元和高速计数模块(如FX2N-1HC、FX3U-2HC、FX3U-4HSX-ADP和CC-Link计数模块AJ65BT-D62等等)可以直接接收集电极开路输出信号,集电极开路输出说白了,就是电子开关。高电平表示开关导通,低电平表示开关截止。可以接通直流电路。与集电极开路输出的旋转编码器的连接方法没有区别。NPN型与PNP型的区别:开关导通时,NPN型的电流方向是从集电极流向发射极。PNP型的电流方向是从发射极流向集电极。

    TTL电平信号输出可以用于单片机或DSP,但不能直接用于PLC。需要加一个直流电子开关模块(淘宝网有售),把TTL电平信号转换成集电极开路输出信号。对于低速移动部件,几乎没什么影响。但对于高速移动的部件,这会带来信号的延迟,甚至周期信号的丢失。

    RS422差分信号的特点是,输出A、A反相、B、B反相等4个信号。有些还能输出Z和Z反相信号。这种输出方式,可以利用两个反相信号来抵消外界的电磁干扰,特别适用于干扰恶劣的环境。PLC主单元和部分高速计数模块(如FX2N-1HC、AJ65BT-D62)不能直接接收RS422信号,需要加一个差分信号转集电极开路输出模块(淘宝网有售),把差分信号转集电极开路输出信号。这种转换接收方式所带来的问题,与TTL电平信号转换接收是一样的。有些高速计数模块(FX3U-2HC、AJ65BT-D62D、AJ65BT-D62-S1等)能够直接接收RS422差分信号。

    PLC主单元有外部高速计数输入端口和内置高速计数器,可用于处理光栅尺的信号。这是不是说高速计数模块就没用呢?答案是否定的。PLC主单元处理信号频率不如高速计数模块。FX2N系列接收单相信号最高60KHz,接收2相信号最高30KHz。如果使用专用比较指令,单相最高10KHz,2相信号最高5KHz。FX3U系列接收单相信号最高100KHz,接收2相信号最高50KHz。如果使用专用指令,最高不会超过60KHz。而很多高速计数模块,可以处理单相信号最高200KHz,2相信号最高100KHz。这几乎是主单元的两倍。

    我们可以计算一下,以FX3U主单元为例,假设接收2相信号(因为很多情况要根据相位差来判断部件移动方向),不使用专用指令(编程难度加大),最高响应频率是50KHz,表示每秒可以接收50000个脉冲信号,假设使用栅距为20um的光栅尺,移动一个栅距,输出一个脉冲。那么50000×20um=1000mm。这就是说,部件移动速度最高不得超过1000mm/s。如果使用的光栅尺的分辨率是5um,每移动20um就输出4个脉冲,部件移动速度最高不得超过250mm/s。如果要使用专用指令,移动速度还得进一步降低。上述分析计算是在理论状态下进行的。实际中,还要考虑PLC主单元处理高频信号的失真、丢失计数量、程序循环执行引起的响应延迟等情况。另外,在工业生产环境中,最好使用RS422差分信号,保证系统的抗干扰能力。而PLC主单元是不能直接接收RS422差分信号。


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