在論壇上看到有人提出光柵尺與PLC如何配套使用的問題。結(jié)合本人使用過光柵尺的經(jīng)歷，寫了這篇文章。希望能提供有用的參考。
一、 結(jié)構(gòu)和工作原理
光柵尺由有標(biāo)尺光柵（尺體）和讀數(shù)頭兩部分組成。尺體裝在移動(dòng)部件上，讀數(shù)頭裝在固定部件上。也有人把讀數(shù)頭裝在移動(dòng)部件上（針對(duì)尺體移動(dòng)不方便的情況），測(cè)量效果是一樣的，不一樣的是信號(hào)線移動(dòng)不方便。
尺體移動(dòng)就是一對(duì)光柵中的主光柵（標(biāo)尺光柵）和副光柵（指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋（莫爾條紋）。經(jīng)過光電器件使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過電路的放大和整形后，得到兩個(gè)相位差90度的正弦波或方波信號(hào)A和B。正弦波或方波的周期數(shù)與移動(dòng)距離成正比。尺體正向移動(dòng)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90度，尺體反向移動(dòng)時(shí)，A信號(hào)滯后B信號(hào)90度。有些光柵尺還輸出一個(gè)Z信號(hào)（回零信號(hào)）。
二、 柵距和分辨率
等距的密集線紋，利用光的透射現(xiàn)象形成光柵，線紋的間距稱為柵距。以柵距20um（50線/mm）為例，假設(shè)不用其它措施，尺體每移動(dòng)20um，讀數(shù)頭就輸出一個(gè)周期信號(hào)，輸出10個(gè)周期信號(hào)，表示移動(dòng)了200um。柵距越小，測(cè)量精度越高，成本越高。在保持柵距不變的情況下，把輸出的周期信號(hào)進(jìn)行4倍細(xì)分處理，那么每移動(dòng)20um，就輸出4個(gè)周期信號(hào)，每個(gè)周期信號(hào)表示移動(dòng)5um。廠商就稱呼這個(gè)光柵尺的分辨率是5um，但這個(gè)5um并不是指柵距是5um。如果尺體移動(dòng)距離低于20um，不管是多少細(xì)分處理，結(jié)果是輸出0個(gè)周期信號(hào)。
三、 供電方式和輸出信號(hào)
供電方式常見的有直流5V和24V兩種。為了方便與PLC配套使用，最好選擇24V供電的。
光柵尺的輸出信號(hào)多數(shù)是方波信號(hào)，常見的有兩種：一種是TTL電平信號(hào)，另一種是RS422差分信號(hào)。有些廠商還能訂做集電極開路輸出信號(hào)（NPN和PNP兩種）。對(duì)于PLC來(lái)說(shuō)，不是所有信號(hào)都適用。PLC的主單元和高速計(jì)數(shù)模塊（如FX2N-1HC、FX3U-2HC、FX3U-4HSX-ADP和CC-Link計(jì)數(shù)模塊AJ65BT-D62等等）可以直接接收集電極開路輸出信號(hào)，集電極開路輸出說(shuō)白了，就是電子開關(guān)。高電平表示開關(guān)導(dǎo)通，低電平表示開關(guān)截止。可以接通直流電路。與集電極開路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器的連接方法沒有區(qū)別。NPN型與PNP型的區(qū)別：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，NPN型的電流方向是從集電極流向發(fā)射極。PNP型的電流方向是從發(fā)射極流向集電極。
TTL電平信號(hào)輸出可以用于單片機(jī)或DSP，但不能直接用于PLC。需要加一個(gè)直流電子開關(guān)模塊（淘寶網(wǎng)有售），把TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成集電極開路輸出信號(hào)。對(duì)于低速移動(dòng)部件，幾乎沒什么影響。但對(duì)于高速移動(dòng)的部件，這會(huì)帶來(lái)信號(hào)的延遲，甚至周期信號(hào)的丟失。
RS422差分信號(hào)的特點(diǎn)是，輸出A、A反相、B、B反相等4個(gè)信號(hào)。有些還能輸出Z和Z反相信號(hào)。這種輸出方式，可以利用兩個(gè)反相信號(hào)來(lái)抵消外界的電磁干擾，特別適用于干擾惡劣的環(huán)境。PLC主單元和部分高速計(jì)數(shù)模塊（如FX2N-1HC、AJ65BT-D62）不能直接接收RS422信號(hào)，需要加一個(gè)差分信號(hào)轉(zhuǎn)集電極開路輸出模塊（淘寶網(wǎng)有售），把差分信號(hào)轉(zhuǎn)集電極開路輸出信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換接收方式所帶來(lái)的問題，與TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換接收是一樣的。有些高速計(jì)數(shù)模塊（FX3U-2HC、AJ65BT-D62D、AJ65BT-D62-S1等）能夠直接接收RS422差分信號(hào)。
PLC主單元有外部高速計(jì)數(shù)輸入端口和內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，可用于處理光柵尺的信號(hào)。這是不是說(shuō)高速計(jì)數(shù)模塊就沒用呢？答案是否定的。PLC主單元處理信號(hào)頻率不如高速計(jì)數(shù)模塊。FX2N系列接收單相信號(hào)最高60KHz，接收2相信號(hào)最高30KHz。如果使用專用比較指令，單相最高10KHz，2相信號(hào)最高5KHz。FX3U系列接收單相信號(hào)最高100KHz，接收2相信號(hào)最高50KHz。如果使用專用指令，最高不會(huì)超過60KHz。而很多高速計(jì)數(shù)模塊，可以處理單相信號(hào)最高200KHz，2相信號(hào)最高100KHz。這幾乎是主單元的兩倍。
我們可以計(jì)算一下，以FX3U主單元為例，假設(shè)接收2相信號(hào)（因?yàn)楹芏嗲闆r要根據(jù)相位差來(lái)判斷部件移動(dòng)方向），不使用專用指令（編程難度加大），最高響應(yīng)頻率是50KHz，表示每秒可以接收50000個(gè)脈沖信號(hào)，假設(shè)使用柵距為20um的光柵尺，移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出一個(gè)脈沖。那么50000×20um＝1000mm。這就是說(shuō)，部件移動(dòng)速度最高不得超過1000mm/s。如果使用的光柵尺的分辨率是5um，每移動(dòng)20um就輸出4個(gè)脈沖，部件移動(dòng)速度最高不得超過250mm/s。如果要使用專用指令，移動(dòng)速度還得進(jìn)一步降低。上述分析計(jì)算是在理論狀態(tài)下進(jìn)行的。實(shí)際中，還要考慮PLC主單元處理高頻信號(hào)的失真、丟失計(jì)數(shù)量、程序循環(huán)執(zhí)行引起的響應(yīng)延遲等情況。另外，在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，最好使用RS422差分信號(hào)，保證系統(tǒng)的抗干擾能力。而PLC主單元是不能直接接收RS422差分信號(hào)。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號(hào)
