4. 光栅尺选型与安装接口
光栅尺的选型不是“精度越高越好”，而是要在测量对象、行程、环境、安装空间、信号接口和成本之间取得平衡。选型一旦确定，机械安装方式和电气接口也随之被约束。本节围绕开放型与封闭型、圆光栅与直线光栅这两组最核心的分类，说明选型依据、安装要点和接口配置方法。
一、开放型与封闭型：先看环境，再看精度
开放型光栅尺（Open Linear Encoder）由读数头和直接暴露在空气中的光栅尺带（或玻璃/钢带光栅）组成，没有密封外壳。它的优点是结构紧凑、无机械接触、无摩擦、动态响应快，分辨率可以做到纳米级，常用于洁净环境下的半导体设备、精密测量平台、光学调整台。缺点是光栅面直接暴露，灰尘、油雾、切削液、水汽都会污染栅线，导致信号丢失或计数错误。
封闭型光栅尺（Sealed Linear Encoder）把光栅尺带和读数头封装在带密封唇的铝型材壳体内，读数头通过弹性密封唇与壳体滑动配合。它的优点是抗污染、抗切削液、抗轻微振动，适合数控机床、加工中心、磨床等恶劣工况。缺点是密封唇带来微小摩擦力，安装平行度要求更高，最高分辨率和最大速度通常低于开放型。
选型判断可以按以下顺序进行：
- 环境洁净度：有切削液、粉尘、油雾 → 封闭型；洁净室、真空、无污染 → 开放型。
- 行程与速度：长行程、高速度（如 >2 m/s）优先考虑封闭型钢带尺或开放型；超长行程（>3 m）需关注尺带热膨胀和拼接。
- 精度等级：普通机床 ±5 μm/m 级封闭型即可；精密平台可能需要 ±1 μm/m 甚至更高，开放型更容易实现。
- 安装空间：开放型读数头体积小，适合狭窄空间；封闭型需要预留壳体安装面和密封唇运动空间。
- 成本与维护：开放型初期成本低，但对环境要求高；封闭型成本高，但维护周期长。
二、圆光栅与直线光栅：测量对象决定类型
直线光栅测量直线位移，直接安装在直线运动轴上，输出与直线位置成比例的信号。圆光栅（Rotary Encoder）测量角度位移，安装在旋转轴上，输出与角度成比例的信号。两者不能互相替代，但在某些机构中可以通过“旋转+丝杠/齿轮齿条”间接换算直线位置，此时圆光栅的角分辨率会经过传动比放大或缩小。
圆光栅的选型重点包括：
- 刻线数：常见 3600、9000、18000、36000 线，刻线数越高，角分辨率越高，但信号频率也越高。
- 输出信号：增量式（A/B/Z 正交）或绝对式（BiSS、EnDat、SSI）。绝对式上电即知角度，无需回零。
- 安装方式：空心轴、实心轴、锥形轴，需与电机轴或主轴匹配。
- 精度等级：角秒级（如 ±5″、±15″、±30″），高精度圆光栅用于转台、分度头。
直线光栅的选型重点包括：
- 栅距：常见 20 μm、40 μm、0.5 μm 等，栅距越小，细分后分辨率越高。
- 精度等级：±3 μm/m、±5 μm/m、±10 μm/m 等，按机床定位要求选择。
- 尺带材料：玻璃、钢带、陶瓷，钢带适合长行程和抗冲击，玻璃适合高精度短行程。
- 参考点：单参考点、多参考点或绝对式编码，决定回零方式。
三、机械安装：平行度、间隙与热膨胀
光栅尺的安装质量直接决定信号质量。以封闭型直线光栅为例，安装时需要控制以下关键量：
- 尺身与导轨的平行度：通常要求 ≤0.1 mm/全长，超差会导致读数头与尺身间隙变化，信号幅值波动。
- 读数头与尺身的间隙：按厂家规定，常见 0.1～0.5 mm，间隙过小会摩擦，过大会信号弱。
- 安装面平面度：一般 ≤0.05 mm/300 mm，避免尺身弯曲。
- 热膨胀：钢带尺热膨胀系数约 10.5×10⁻⁶/K，玻璃约 8×10⁻⁶/K。长行程需一端固定、一端浮动，或采用温度补偿。
- 参考点位置：参考点应安装在行程内可重复到达的位置，避免撞限位。
开放型光栅的安装更强调清洁和防尘：读数头与尺带间隙通常更小（几十微米），安装面需研磨，且要加装吹气或防护罩。圆光栅安装时，偏心量和端面跳动是关键，一般要求偏心 ≤0.02 mm、端跳 ≤0.01 mm，否则会引起信号周期误差。
四、电气接口：信号类型与接线要点
光栅尺的电气接口决定了它能否与控制器、驱动器或数显表正确通信。常见接口分为增量式和绝对式两大类。
| 接口类型 | 典型信号 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 增量式 TTL | A、B、Z 差分，5 V | 简单、通用，需回零 | 数显表、运动控制卡 |
| 增量式 1 Vpp | 正弦/余弦差分，1 Vpp | 可细分，抗干扰好 | 高精度伺服、数控系统 |
| 绝对式 BiSS/SSI | 串行数据+时钟 | 上电即知位置，无需回零 | 高端数控、机器人 |
| 绝对式 EnDat | 串行数据+时钟 | 支持参数读取和诊断 | 海德汉系统、高端机床 |
接线时需注意：
- 差分信号必须双绞屏蔽，屏蔽层单端接地，避免地环路。
- 供电电压：常见 5 V、10～30 V，接错会损坏读数头。
- 信号频率：增量式信号频率 = 速度 / 栅距 × 细分倍数，需确认控制器输入频率上限。
- 电缆长度：TTL 信号一般 ≤10 m，1 Vpp 可更长，绝对式串行信号按厂家规定。
- 接地与屏蔽：读数头外壳与机床地可靠连接，信号地与电源地分开走线。
实际工程中，选型、安装、接口三者是联动的。例如，一台加工中心需要测量 X 轴 800 mm 行程，环境有切削液，定位精度要求 ±5 μm，控制器支持 1 Vpp 增量信号。此时应选封闭型钢带直线光栅，栅距 20 μm，精度 ±5 μm/m，输出 1 Vpp 差分信号，安装时保证平行度 ≤0.1 mm，读数头间隙按厂家 0.3 mm 调整，电缆采用双绞屏蔽并单端接地。安装后用示波器观察 A/B 信号幅值约 1 Vpp、相位差 90°，全程移动数显表计数连续，参考点重复定位误差在允许范围内，即可判定安装合格。