在論壇上看到有人提出光柵尺與PLC如何配套使用的問(wèn)題。結合本人使用過(guò)光柵尺的經(jīng)歷，寫(xiě)了這篇文章。希望能提供有用的參考。
一、 結構和工作原理
光柵尺由有標尺光柵（尺體）和讀數頭兩部分組成。尺體裝在移動(dòng)部件上，讀數頭裝在固定部件上。也有人把讀數頭裝在移動(dòng)部件上（針對尺體移動(dòng)不方便的情況），測量效果是一樣的，不一樣的是信號線(xiàn)移動(dòng)不方便。
尺體移動(dòng)就是一對光柵中的主光柵（標尺光柵）和副光柵（指示光柵）進(jìn)行相對位移，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）的規則條紋（莫爾條紋）。經(jīng)過(guò)光電器件使黑白（或明暗）相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過(guò)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A和B。正弦波或方波的周期數與移動(dòng)距離成正比。尺體正向移動(dòng)時(shí)，A信號超前B信號90度，尺體反向移動(dòng)時(shí)，A信號滯后B信號90度。有些光柵尺還輸出一個(gè)Z信號（回零信號）。
二、 柵距和分辨率
等距的密集線(xiàn)紋，利用光的透射現象形成光柵，線(xiàn)紋的間距稱(chēng)為柵距。以柵距20um（50線(xiàn)/mm）為例，假設不用其它措施，尺體每移動(dòng)20um，讀數頭就輸出一個(gè)周期信號，輸出10個(gè)周期信號，表示移動(dòng)了200um。柵距越小，測量精度越高，成本越高。在保持柵距不變的情況下，把輸出的周期信號進(jìn)行4倍細分處理，那么每移動(dòng)20um，就輸出4個(gè)周期信號，每個(gè)周期信號表示移動(dòng)5um。廠(chǎng)商就稱(chēng)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，不管是多少細分處理，結果是輸出0個(gè)周期信號。
三、 供電方式和輸出信號
供電方式常見(jiàn)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。
光柵尺的輸出信號多數是方波信號，常見(jiàn)的有兩種：一種是TTL電平信號，另一種是RS422差分信號。有些廠(chǎng)商還能訂做集電極開(kāi)路輸出信號（NPN和PNP兩種）。對于PLC來(lái)說(shuō)，不是所有信號都適用。PLC的主單元和高速計數模塊（如FX2N-1HC、FX3U-2HC、FX3U-4HSX-ADP和CC-Link計數模塊AJ65BT-D62等等）可以直接接收集電極開(kāi)路輸出信號，集電極開(kāi)路輸出說(shuō)白了，就是電子開(kāi)關(guān)。高電平表示開(kāi)關(guān)導通，低電平表示開(kāi)關(guān)截止�？梢越油ㄖ绷麟娐�。與集電極開(kāi)路輸出的旋轉編碼器的連接方法沒(méi)有區別。NPN型與PNP型的區別：開(kāi)關(guān)導通時(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電平信號輸出可以用于單片機或DSP，但不能直接用于PLC。需要加一個(gè)直流電子開(kāi)關(guān)模塊（淘寶網(wǎng)有售），把TTL電平信號轉換成集電極開(kāi)路輸出信號。對于低速移動(dòng)部件，幾乎沒(méi)什么影響。但對于高速移動(dòng)的部件，這會(huì )帶來(lái)信號的延遲，甚至周期信號的丟失。
RS422差分信號的特點(diǎn)是，輸出A、A反相、B、B反相等4個(gè)信號。有些還能輸出Z和Z反相信號。這種輸出方式，可以利用兩個(gè)反相信號來(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數模塊（如FX2N-1HC、AJ65BT-D62）不能直接接收RS422信號，需要加一個(gè)差分信號轉集電極開(kāi)路輸出模塊（淘寶網(wǎng)有售），把差分信號轉集電極開(kāi)路輸出信號。這種轉換接收方式所帶來(lái)的問(wèn)題，與TTL電平信號轉換接收是一樣的。有些高速計數模塊（FX3U-2HC、AJ65BT-D62D、AJ65BT-D62-S1等）能夠直接接收RS422差分信號。
PLC主單元有外部高速計數輸入端口和內置高速計數器，可用于處理光柵尺的信號。這是不是說(shuō)高速計數模塊就沒(méi)用呢？答案是否定的。PLC主單元處理信號頻率不如高速計數模塊。FX2N系列接收單相信號最高60KHz，接收2相信號最高30KHz。如果使用專(zhuān)用比較指令，單相最高10KHz，2相信號最高5KHz。FX3U系列接收單相信號最高100KHz，接收2相信號最高50KHz。如果使用專(zhuān)用指令，最高不會(huì )超過(guò)60KHz。而很多高速計數模塊，可以處理單相信號最高200KHz，2相信號最高100KHz。這幾乎是主單元的兩倍。
我們可以計算一下，以FX3U主單元為例，假設接收2相信號（因為很多情況要根據相位差來(lái)判斷部件移動(dòng)方向），不使用專(zhuān)用指令（編程難度加大），最高響應頻率是50KHz，表示每秒可以接收50000個(gè)脈沖信號，假設使用柵距為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(guò)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(guò)250mm/s。如果要使用專(zhuān)用指令，移動(dòng)速度還得進(jìn)一步降低。上述分析計算是在理論狀態(tài)下進(jìn)行的。實(shí)際中，還要考慮PLC主單元處理高頻信號的失真、丟失計數量、程序循環(huán)執行引起的響應延遲等情況。另外，在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，最好使用RS422差分信號，保證系統的抗干擾能力。而PLC主單元是不能直接接收RS422差分信號。
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