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摘要：本文主要介绍针对SIP机床光栅前置放大器，sin+、sin-、cos+、cos-、M+、M-、INDEX以及INDTRIG等信号对应的功用效果及如何有效性的对其做出调整。如何结合实际问题调整相关参数。
关键字：光栅前置放大器 读数头
1. 目的
470’554型前置放大器的设置和测量方法以及Ralph：673'922光栅读数头的安装调试。针对解决三台瑞士产 斯达拉格-海克特SIP 精密镗铣中心相关故障。
在调整前置放大器之前,有必要对光栅的基本工作原理进行初步的了解。
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（即扫描光栅）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
光栅采用两种扫描原理：
○成像扫面原理，用于20μm和40μm栅距的光栅尺。
○干涉扫描原理，用于栅距8μm或更小的光栅。
成像扫描原理
简单的说，成像扫描原理是采用透射光产生信号：栅距相同的光栅尺和扫描光栅彼此相对运动。扫描光栅的基体是透明的，而作为测量基准的光栅尺可以是透明的也可以是反射的。
当平行光穿过一个光栅时，在一定距离处形成明暗区，扫描光栅就在这个位置处。当两个光栅相对运动时，穿过光栅尺的光得到调制。如果狭缝对齐，则光线穿过。如果一个光栅的刻线与另一个光栅的狭缝对齐，则光线无法通过。
一组规则排列的光电池将这些光强变化转化成电信号。特殊形式的扫描光栅将光强调制为正弦输出信号。栅距越小，扫描光栅和光栅尺的间距，公差越严。
干涉扫描原理
干涉扫描原理是利用精细光栅的衍射和干涉形成测量移动量的信号。
阶梯状光栅做测量光栅尺:在平滑反光面上刻制线高0.2μm的反射线.光栅尺的前面是扫描光栅,器栅距雨光栅尺的栅距相同.
光波照射到扫描光栅时,光波被衍射为三束光强近似的光:-1、0和+1。光栅尺所衍射的光波中，反射光中的衍射光强最强的光束为+1和-1。这两束
光在扫描光栅的相位光栅处再次相遇，又一次被衍射和干涉。它形成三束光，并以不同的角度离开扫描光栅。光电池将这些交变的光强变化转化成电信号。
扫描光栅与光栅尺的相对运动使衍射光产生相位移：当光栅移过一个栅距时，前一季度+1衍射光在正方向上移过一个光波波长。-1衍射光在负方向上移过一个光波波长。由于这两个光波在离开扫描光栅时将发生干涉，光波将彼此相对移动两个光波波长。也就是说，相对移动一个栅距可以得到两个信号周期。
干涉光栅的栅距一般为8μm、4μm甚至更小。其扫描信号基本没有高次谐波，能进行高倍细分。因此，这些光栅尺适用于高分辨率和高精度应用。
2.适用范围
斯达拉格-海克特 SIP生产的精密镗铣中心所有四个轴都配备了相同的配件.SIP光栅读数头Ralph：673'922和前置放大器Preamp：470'554。
3.原则
3.1. Preamp470'554前置放大器
前置放大器的470'554从读数头接收不同的信号（正弦，余弦和M +的M -），并提供电流和必需的信号处理。分别将光栅出来的两路位移信号的峰峰值调整为500 [毫伏]成振幅的正弦信号和余弦信号。由读数头部出来的参考点信号讯号（M +,M -）转换为双坡信号，其长度相当于两个正弦信号周期。
3.2．前置放大器盒
前置放大器是在一个金属盒中。光栅读数头到前置放大器适用的是HIROSE(广濑) 16针孔式连接器；从前置放大器到数控是HIROSE(广濑) 16针孔式连接器到12针针式连接器（5623系列 兼容海德汉）。
4．读数头的设定
对于光栅读数头的设定,信号可从前置放大器上加以测试.
TP 100.1 : sine + TP 200.1 : cosine + TP 300.1 : M +
TP 100.2 : sine - TP 200.2 : cosine - TP 300.2 : M -
输出信号和其他所需要调整的信号的都在前置放大器电路板上，可以用BERG J3连接器连接。
对于设置，所有放大器上的信号可以通过连接20针的连接器（J3）将信集中到一个转接盒上，转接有助于连接示波器。
4.1．读数头和放大器调整目的
光栅读数头应该被调整到最佳读数位置，此位置对应着测量信号(sin和cos)输出越强越好（最大信号/噪声系数）。并检查参考点信号（M +和M -）的存在。
4.2．读数头调整流程
4.2.1．清洁读数头
在调整之前，把读数头拆下来（松开screw1就可以了）擦一下，用无水酒精和药棉。拆的时候注意读数头的方向，或者做个标记。
4.2.2．调整定尺和 动尺的距离
清洁过后再将读数头装上（就是塞进读数头的座里，screw1和screw2都不锁紧，所以要一直用手托着读数头），装上的时候注意读数头的方向。反着也能装上，但是后来用示波器的时候是没有信号的。(参看图1)
用0.9mm的塞尺控制face1和face2的距离，调整好之后，锁紧screw2。
图1
4.2.3．连接示波器
打开PREAMP（光栅尺的前置放大器），接上示波器和专用接线盒。如图2：
图2
4.2.4. 固定读数头
示波器的channel和channel2测量头接到专用转接盒的sin+和cos+脚上。示波器设定在X/Y模式，显示单位100mv。
用手托住读数头，保证刚才调整的0.9mm的距离，同时还要左右转动读数头，调整方向，为了使其信号达到最大值，也就是一边调整一边观察示波器，示波器上显示的“圆”要达到最大值。而且还要有一个人用手轮以低速移动轴，只有在动态下才能看到信号。
调整到最好效果时，也就是“圆”的直径最大，这时还要用另外一只手上下扳动动尺，如果发现“圆”的直径变大，说明刚才调整的0.9mm还不是最佳距离，还要继续调整这个距离。例如：用手向上扳动动尺，发现圆变大，说明距离大了，还要往小调整。
按照这个方法调到最佳效果后，锁紧screw1，使得读数头固定。
然后低速移动轴，“圆”信号应该全行程稳定。所谓稳定是指直径大小。实际会发现轴在运动过程中，“圆”信号会变形，即不是很圆，这个没关系，正常。
4.2.5．观察光栅尺上的参考标记（marker）信号M+，M-
将示波器的channel1和channel2测量头接到专用接线盒的M+和M-脚上。示波器设定在正常模式。Trigger方式设定在捕捉模式（normal）。
用手轮低速移动轴（500mm/min），向参考标记（marker）方向。
当移动到参考标记的时候，观察示波器产生的信号，主要看M+和M-的交叉信号，叫做crosisement信号。这个信号应该在1.5V和2V之间，最好接近2V。
例如：假设开始调整的最佳距离是1mm。当检测到M+和M-信号的交叉点时发现不合适，回头再调距离，就按照1.6mm的距离进行调整，或者0.4mm的距离进行调整。重新走一遍步骤2，3，4和5，直到“圆”信号和crosisement信号都满足要求。
4.3．470’554前置放大器调整流程
4.3.1．调整sin+和sin-信号的平均值（offset）和幅值（gain）
先调整幅值（gain），sin+和sin-信号的幅值必须达到500mv。示波器的channel1和channel2测量头接到接线盒的sin+和sin-脚上。示波器调整到Auto模式，。用手轮低速移动轴，观察示波器上的正弦波信号。如果信号幅值(gain)低于500mv，则调整PREAMP（前置放大器）上的RP11，sin+和sin-的幅值都会变化，调整到500mv。
然后调整平均值(offset)，仍然是动态调整，即低速移动轴。将示波器上的sin+和sin-信号垂直显示值都调到-2.5v（使用示波器上的position钮），会发现sin+和sin-信号是不对称的。
这样就调PREAMP（前置放大器）上的RP10，RP11，直到信号对称。另外，还可以用万用表测量这个指标，将万用表的正负表针接到专用接线盒的sin+和sin-脚上，万用表调到直流电压档，低速移动轴，万用表测量的电压值应该是0或者接近0。
4.3.2．调整cos+和cos-信号的平均值（offset）和幅值（gain）
方法与调整sin+和sin-信号一样，测量头接到cos+和cos-脚上。相应调整RP21和RP20。
4.3.3．调整M+和M-信号
测量方法同上面提到的第4.2.5步。
第5步是粗略测量crosisement信号。到这里就需要进行精确调整了。
要从示波器的显示信号上考察2个指标：
一个就是corisement信号，最佳效果是低于并接近2V，可以通过调整RP51和RP50达到效果。（调整RP51会使M+和M-整体升高或降低；调整RP50只会使M+峰峰值增加）
另一个是M+信号在交叉后应该降低到小于1V并接近500mv，可以调整RP30。
M-信号在交叉前应该小于1V并接近500mv，可以调整RP31。
4.3.4．调整INDEX(V形)信号
示波器channel和channel2测量头连接到专用接线盒的sin+和INDEX脚上。
低速移动轴，向参考标记方向。示波器上会出现V信号。调整RP40(此时电位器要一圈一圈的调,否则V信号变化不明显)使得V信号的尖端对正A或者B点。
4.3.5．INDTRIG信号的调整
优化该指数信号设置： 是为了保证index指数的重复稳定性.
INDTRIG升起始点，必须对应在SINOUT+的波谷。这是与电位器RP30或RP31（调整电位器时要半圈半圈的调整,因为RP30和RP31同时会影响到M+和M-,所以 INDTRIG信号调整之后应该再次验证M+和M-信号）。
5.实际案例分析
了解和熟悉以上调整470’554型前置放大器和光栅读数头的各个步骤和注意事项之后，就能够从某种程度解决一些相对棘手的机床故障。
某机加中心一台SIP5000/7机床，X轴移动过程机床报警：
25000X Axis hardware Fault of Active Encode.
在出现此报警时，报警轴无法移动，所以在调试前置放大器之前必须修改机床参数。将出现问题的相应轴改为半闭环。各轴对应参数如下：
DB62.DBX18.0 (AXIS X)DB62.DBX18.3(AXIS B)
DB62.DBX18.1 (AXIS Y)DB62.DBX18.4(AXIS C)
DB62.DBX18.2 (AXIS Z1) DB62.DBX18.7(AXIS TM_C)
DB62.DBX18.5 (AXIS Z2) DB62.DBX18.8(AXIS BR)
将相应故障轴的位参数由“1”改为“0”，重启机床即可移动机床轴。
分析：因为报警在X轴移动过程中都可能出现，并非特定位置，所以可以怀疑是sin+、sin-、cos+、cos-信号不良。
解决：通过对X轴前置放大器信号（sin和cos的峰峰值250mV,平均值2.5V)的检测发现sin+峰峰值正常，但是平均值偏小，未能达到标称的2.5V,通过对RP10电位器的调整。能够恢复机床正常使用。但是通过使用，此问题再次出现。再次观察检测前置放大器输出信号(sin和cos)，发现信号与之前调整过的信号已有差异：峰峰值没有问题,sin+信号的平均值出现了变化(平均值应该稳定在2.5V)。更换前置放大器板再观察，经过使用问题仍然出现。所以分析，问题可能出现在光栅尺的读数头或光栅上，依据文章所述光栅读数头更换过程对X轴光栅读数头的更换安装，并再次对前置放大器进行调整并反复验证sin、cos信号的一致性，信号没有明显变化，确认机床已无问题，将DB62.DBX18.0“0”改回“1”恢复全闭环，最后问题得到解决。
6.总结
由于斯达拉格海克特SIP机床并未使用海德汉的光栅尺和海德汉的数据接口，所以机床出现类似光栅数据故障时就需要熟练快速的通过专用信号转接盒对前置放大器的光栅信号进行监测。并及时对之做出相应合理的调整。
参考文献：
[1] 贾东耀,汪仁煌.工业控制网络结构的发展趋势[J].工业仪表与自动化装置,2002.5.
[2] 周炳文.实用数控机床故障诊断及维修技术500例[J].中国知识出版社.2006,(8).
关键字：光栅前置放大器 读数头
1. 目的
470’554型前置放大器的设置和测量方法以及Ralph：673'922光栅读数头的安装调试。针对解决三台瑞士产 斯达拉格-海克特SIP 精密镗铣中心相关故障。
在调整前置放大器之前,有必要对光栅的基本工作原理进行初步的了解。
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（即扫描光栅）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
光栅采用两种扫描原理：
○成像扫面原理，用于20μm和40μm栅距的光栅尺。
○干涉扫描原理，用于栅距8μm或更小的光栅。
成像扫描原理
简单的说，成像扫描原理是采用透射光产生信号：栅距相同的光栅尺和扫描光栅彼此相对运动。扫描光栅的基体是透明的，而作为测量基准的光栅尺可以是透明的也可以是反射的。
当平行光穿过一个光栅时，在一定距离处形成明暗区，扫描光栅就在这个位置处。当两个光栅相对运动时，穿过光栅尺的光得到调制。如果狭缝对齐，则光线穿过。如果一个光栅的刻线与另一个光栅的狭缝对齐，则光线无法通过。
一组规则排列的光电池将这些光强变化转化成电信号。特殊形式的扫描光栅将光强调制为正弦输出信号。栅距越小，扫描光栅和光栅尺的间距，公差越严。
干涉扫描原理
干涉扫描原理是利用精细光栅的衍射和干涉形成测量移动量的信号。
阶梯状光栅做测量光栅尺:在平滑反光面上刻制线高0.2μm的反射线.光栅尺的前面是扫描光栅,器栅距雨光栅尺的栅距相同.
光波照射到扫描光栅时,光波被衍射为三束光强近似的光:-1、0和+1。光栅尺所衍射的光波中，反射光中的衍射光强最强的光束为+1和-1。这两束
光在扫描光栅的相位光栅处再次相遇，又一次被衍射和干涉。它形成三束光，并以不同的角度离开扫描光栅。光电池将这些交变的光强变化转化成电信号。
扫描光栅与光栅尺的相对运动使衍射光产生相位移：当光栅移过一个栅距时，前一季度+1衍射光在正方向上移过一个光波波长。-1衍射光在负方向上移过一个光波波长。由于这两个光波在离开扫描光栅时将发生干涉，光波将彼此相对移动两个光波波长。也就是说，相对移动一个栅距可以得到两个信号周期。
干涉光栅的栅距一般为8μm、4μm甚至更小。其扫描信号基本没有高次谐波，能进行高倍细分。因此，这些光栅尺适用于高分辨率和高精度应用。
2.适用范围
斯达拉格-海克特 SIP生产的精密镗铣中心所有四个轴都配备了相同的配件.SIP光栅读数头Ralph：673'922和前置放大器Preamp：470'554。
3.原则
3.1. Preamp470'554前置放大器
前置放大器的470'554从读数头接收不同的信号（正弦，余弦和M +的M -），并提供电流和必需的信号处理。分别将光栅出来的两路位移信号的峰峰值调整为500 [毫伏]成振幅的正弦信号和余弦信号。由读数头部出来的参考点信号讯号（M +,M -）转换为双坡信号，其长度相当于两个正弦信号周期。
3.2．前置放大器盒
前置放大器是在一个金属盒中。光栅读数头到前置放大器适用的是HIROSE(广濑) 16针孔式连接器；从前置放大器到数控是HIROSE(广濑) 16针孔式连接器到12针针式连接器（5623系列 兼容海德汉）。
4．读数头的设定
对于光栅读数头的设定,信号可从前置放大器上加以测试.
TP 100.1 : sine + TP 200.1 : cosine + TP 300.1 : M +
TP 100.2 : sine - TP 200.2 : cosine - TP 300.2 : M -
输出信号和其他所需要调整的信号的都在前置放大器电路板上，可以用BERG J3连接器连接。
对于设置，所有放大器上的信号可以通过连接20针的连接器（J3）将信集中到一个转接盒上，转接有助于连接示波器。
4.1．读数头和放大器调整目的
光栅读数头应该被调整到最佳读数位置，此位置对应着测量信号(sin和cos)输出越强越好（最大信号/噪声系数）。并检查参考点信号（M +和M -）的存在。
4.2．读数头调整流程
4.2.1．清洁读数头
在调整之前，把读数头拆下来（松开screw1就可以了）擦一下，用无水酒精和药棉。拆的时候注意读数头的方向，或者做个标记。
4.2.2．调整定尺和 动尺的距离
清洁过后再将读数头装上（就是塞进读数头的座里，screw1和screw2都不锁紧，所以要一直用手托着读数头），装上的时候注意读数头的方向。反着也能装上，但是后来用示波器的时候是没有信号的。(参看图1)
用0.9mm的塞尺控制face1和face2的距离，调整好之后，锁紧screw2。
图1
4.2.3．连接示波器
打开PREAMP（光栅尺的前置放大器），接上示波器和专用接线盒。如图2：
图2
4.2.4. 固定读数头
示波器的channel和channel2测量头接到专用转接盒的sin+和cos+脚上。示波器设定在X/Y模式，显示单位100mv。
用手托住读数头，保证刚才调整的0.9mm的距离，同时还要左右转动读数头，调整方向，为了使其信号达到最大值，也就是一边调整一边观察示波器，示波器上显示的“圆”要达到最大值。而且还要有一个人用手轮以低速移动轴，只有在动态下才能看到信号。
调整到最好效果时，也就是“圆”的直径最大，这时还要用另外一只手上下扳动动尺，如果发现“圆”的直径变大，说明刚才调整的0.9mm还不是最佳距离，还要继续调整这个距离。例如：用手向上扳动动尺，发现圆变大，说明距离大了，还要往小调整。
按照这个方法调到最佳效果后，锁紧screw1，使得读数头固定。
然后低速移动轴，“圆”信号应该全行程稳定。所谓稳定是指直径大小。实际会发现轴在运动过程中，“圆”信号会变形，即不是很圆，这个没关系，正常。
4.2.5．观察光栅尺上的参考标记（marker）信号M+，M-
将示波器的channel1和channel2测量头接到专用接线盒的M+和M-脚上。示波器设定在正常模式。Trigger方式设定在捕捉模式（normal）。
用手轮低速移动轴（500mm/min），向参考标记（marker）方向。
当移动到参考标记的时候，观察示波器产生的信号，主要看M+和M-的交叉信号，叫做crosisement信号。这个信号应该在1.5V和2V之间，最好接近2V。
例如：假设开始调整的最佳距离是1mm。当检测到M+和M-信号的交叉点时发现不合适，回头再调距离，就按照1.6mm的距离进行调整，或者0.4mm的距离进行调整。重新走一遍步骤2，3，4和5，直到“圆”信号和crosisement信号都满足要求。
4.3．470’554前置放大器调整流程
4.3.1．调整sin+和sin-信号的平均值（offset）和幅值（gain）
先调整幅值（gain），sin+和sin-信号的幅值必须达到500mv。示波器的channel1和channel2测量头接到接线盒的sin+和sin-脚上。示波器调整到Auto模式，。用手轮低速移动轴，观察示波器上的正弦波信号。如果信号幅值(gain)低于500mv，则调整PREAMP（前置放大器）上的RP11，sin+和sin-的幅值都会变化，调整到500mv。
然后调整平均值(offset)，仍然是动态调整，即低速移动轴。将示波器上的sin+和sin-信号垂直显示值都调到-2.5v（使用示波器上的position钮），会发现sin+和sin-信号是不对称的。
这样就调PREAMP（前置放大器）上的RP10，RP11，直到信号对称。另外，还可以用万用表测量这个指标，将万用表的正负表针接到专用接线盒的sin+和sin-脚上，万用表调到直流电压档，低速移动轴，万用表测量的电压值应该是0或者接近0。
4.3.2．调整cos+和cos-信号的平均值（offset）和幅值（gain）
方法与调整sin+和sin-信号一样，测量头接到cos+和cos-脚上。相应调整RP21和RP20。
4.3.3．调整M+和M-信号
测量方法同上面提到的第4.2.5步。
第5步是粗略测量crosisement信号。到这里就需要进行精确调整了。
要从示波器的显示信号上考察2个指标：
一个就是corisement信号，最佳效果是低于并接近2V，可以通过调整RP51和RP50达到效果。（调整RP51会使M+和M-整体升高或降低；调整RP50只会使M+峰峰值增加）
另一个是M+信号在交叉后应该降低到小于1V并接近500mv，可以调整RP30。
M-信号在交叉前应该小于1V并接近500mv，可以调整RP31。
4.3.4．调整INDEX(V形)信号
示波器channel和channel2测量头连接到专用接线盒的sin+和INDEX脚上。
低速移动轴，向参考标记方向。示波器上会出现V信号。调整RP40(此时电位器要一圈一圈的调,否则V信号变化不明显)使得V信号的尖端对正A或者B点。
4.3.5．INDTRIG信号的调整
优化该指数信号设置： 是为了保证index指数的重复稳定性.
INDTRIG升起始点，必须对应在SINOUT+的波谷。这是与电位器RP30或RP31（调整电位器时要半圈半圈的调整,因为RP30和RP31同时会影响到M+和M-,所以 INDTRIG信号调整之后应该再次验证M+和M-信号）。
5.实际案例分析
了解和熟悉以上调整470’554型前置放大器和光栅读数头的各个步骤和注意事项之后，就能够从某种程度解决一些相对棘手的机床故障。
某机加中心一台SIP5000/7机床，X轴移动过程机床报警：
25000X Axis hardware Fault of Active Encode.
在出现此报警时，报警轴无法移动，所以在调试前置放大器之前必须修改机床参数。将出现问题的相应轴改为半闭环。各轴对应参数如下：
DB62.DBX18.0 (AXIS X)DB62.DBX18.3(AXIS B)
DB62.DBX18.1 (AXIS Y)DB62.DBX18.4(AXIS C)
DB62.DBX18.2 (AXIS Z1) DB62.DBX18.7(AXIS TM_C)
DB62.DBX18.5 (AXIS Z2) DB62.DBX18.8(AXIS BR)
将相应故障轴的位参数由“1”改为“0”，重启机床即可移动机床轴。
分析：因为报警在X轴移动过程中都可能出现，并非特定位置，所以可以怀疑是sin+、sin-、cos+、cos-信号不良。
解决：通过对X轴前置放大器信号（sin和cos的峰峰值250mV,平均值2.5V)的检测发现sin+峰峰值正常，但是平均值偏小，未能达到标称的2.5V,通过对RP10电位器的调整。能够恢复机床正常使用。但是通过使用，此问题再次出现。再次观察检测前置放大器输出信号(sin和cos)，发现信号与之前调整过的信号已有差异：峰峰值没有问题,sin+信号的平均值出现了变化(平均值应该稳定在2.5V)。更换前置放大器板再观察，经过使用问题仍然出现。所以分析，问题可能出现在光栅尺的读数头或光栅上，依据文章所述光栅读数头更换过程对X轴光栅读数头的更换安装，并再次对前置放大器进行调整并反复验证sin、cos信号的一致性，信号没有明显变化，确认机床已无问题，将DB62.DBX18.0“0”改回“1”恢复全闭环，最后问题得到解决。
6.总结
由于斯达拉格海克特SIP机床并未使用海德汉的光栅尺和海德汉的数据接口，所以机床出现类似光栅数据故障时就需要熟练快速的通过专用信号转接盒对前置放大器的光栅信号进行监测。并及时对之做出相应合理的调整。
参考文献：
[1] 贾东耀,汪仁煌.工业控制网络结构的发展趋势[J].工业仪表与自动化装置,2002.5.
[2] 周炳文.实用数控机床故障诊断及维修技术500例[J].中国知识出版社.2006,(8).