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隨著數控技術在機床制造領域的普及，現代機床在加工速度，加工精度和可靠性方面都有了巨大的進步。作為數控機床核心技術之一的光柵測量技術對保障現代機床的各項性能指標起著決定性的作用。清楚了解現代光柵測量技術的發展趨勢，正確選擇適合自身需求的光柵測量系統對機床設計師和機床用戶有著重要的意義。
全閉環控制逐漸成為標準
由精密絲杠和編碼器構成的半閉環控制系統對于機床熱變形導致的加工誤差無法進行補償。在過去的十余年中，采用數學建模預測變形或通過實時測量溫度變化來計算變形等嘗試在技術上和經濟性上都未能取得令人滿意的結果。
采用全閉環控制結構的機床，機床傳動部件的熱變形處于位置控制環之內，誤差自動得到補償。與半閉環系統不同，全閉環系統的補償效果幾乎不隨機床工況，磨損狀況及加工程序的不同而發生變化，機床可以長期保持初始加工精度。這對于機床生產廠家和用戶來說，都意味著巨大的經濟效益。
絕對式光柵正成為趨勢
所謂絕對式光柵是相對于增量式光柵而言的，增量式光柵通過對光柵探頭掃描過的柵線進行計數來獲得相對運動的距離數據。為了獲得絕對位置，增量式光柵在開機后須執行過參考點動作。
圖1 增量式光柵在過參考點之前無法提供絕對位置信息
絕對式光柵以不同寬度，不同間距的柵線將絕對位置數據以編碼形式直接制作到光柵上，光柵開機后立刻可以提供絕對位置信息，無需執行過參考點動作。
通常絕對式光柵在絕對軌之外還同時配備有增量軌，用以進一步提高光柵的精度與分辨率。
圖2 絕對式光柵開機后可立刻提供絕對位置信息
近幾年以來，尤其是在工業水平較高的國家，絕對式光柵因其不可取代的種種優點，得到了越來越廣泛的應用。
優點一：縮減機床非生產時間
機床在使用過程中，經常會因故障或其他原因而被迫關機重新啟動。
對于僅裝備了增量式光柵的機床，開機后必須對每一軸執行過參考點動作。與正常開機后執行過參考點動作所不同的是，機床的刀具此時通常還處于加工位置，與工件有直接接觸，有時甚至還處于工件的內部（如鉆孔，攻螺紋等），為了安全地進行過參考點動作，必須首先手動將刀具移出加工位置。這對于刀具的指向有可能還與X，Y，Z軸成一定角度的多軸機床來說尤其困難，往往要耗費大量的時間和人力。
圖3 刀具指向與X, Y, Z軸不平行時，增加了（故障后）手動移出刀具的難度。
對由多臺加工設備構成的自動生產線，在其中一臺設備出現故障須從新啟動時，可能不得不對生產線內所有設備進行過參考點動作，如對象上殘留有未加工完的工件還要進行特殊的操作處理。
配備了絕對式光柵的機床或生產線在重新開機后立刻重新獲得各軸絕對位置以及刀具的空間指向，因此可以立刻從中斷處開始繼續原來的加工程序，大大提高了機床的有效加工時間。
優點二：提高機床可靠性
機床的可靠性直接決定零件生產的效率和經濟性。機床每分鐘的故障時間對用戶而言都意味著成本的增加。因此，機床設計的一個趨勢是對重要部件的狀態進行實時監控。
海德漢的絕對式光柵通過其雙向通信 EnDat 數據接口支持此類實時監控功能。EnDat 數據接口除了絕對位置值外，還向數控系統傳輸光柵的工作狀況，例如：
• 讀數頭光源調節余量是否接近極限
• 讀數頭最大允許移動速度是否超標
• 工作溫度是否超出允許范圍
EnDat在上述情況出現時，可向數控系統發出預警信號。此時，光柵仍可正常工作，但用戶可依據該預警信號提前實施相應對策，防止造成更大損失。
光柵出現嚴重故障時，EnDat 還會向數控系統發出警報信號。數控系統可依據該信號決定是否中止加工以保護機床和工件。在排除故障時，維修人員可以按照EnDat提供的信息在最短時間內查找到故障的根源，如：
• 光柵電源過低；
• 讀數頭工作不正常；
• 輸出信號幅值過低等。
通過發送預警和警報兩個等級的故障信號，海德漢絕對式光柵可以極大地提高用戶維護工作的效率，減少光柵故障造成停機的幾率。 機床的可靠性也由此得到提高。
優點三：提高機床安全性
為了對機床的機械運動部分進行保護, 通常采用行程開關來確保機床各部件的運動不超出允許范圍。行程開關長期處在惡劣環境之中（冷卻液，金屬屑等），極易損壞。加上機床正常運行時較少使用到行程開關，所以無法隨時確定其功能是否仍然正常。為了保證工作安全，用戶將不得不定期檢查行程開關的狀態。
采用絕對式光柵的機床可以在任何時間確定機床運動部件所處位置，通過在數控系統中作相應設置可以省去行程開關。這樣節省了機床用戶的設備維護時間，同時也避免了行程開關損壞可能帶來的安全問題，提高了機床使用時的安全性。
單場掃描提高編碼器的抗干擾性
作為精密的光學測量元件，光柵對工作環境的要求很高。海德漢封閉式光柵采用優化的結構設計和高質量的材料來保證光柵的密閉性以抵抗外來污染物進入光柵內部。
盡管如此，外來污染物還是在某些特定情況下可能進入到光柵內部并附著到光柵線載體和讀數頭光學部分上。由此導致的光柵故障在所有故障中占有較大的份額。
采用傳統四場掃描工作原理的讀數頭，通過空間上相互獨立的四個簡單感光元件來探測經過光柵的光線。各感光元件所測電流通過加減運算綜合為最終輸出信號。 當個別感光元件受到污染或出現故障時，光柵的最終輸出信號會出現很大的誤差。
海德漢單場掃描讀數頭采用柵狀光電池探測光線，探測面積大為增加。原來由單一感光元件產生的電流信號現在通過若干個感光條共同產生。
圖4 單場掃描光柵
光柵或掃描頭的局部污染雖然依然影響部分單個感光條，但通過其他感光條的平均作用，光柵最終輸出信號所受影響極為有限。
圖5 單場掃描光柵與四場掃描光柵抗污染干擾性能對比
優良的抗污染干擾性能使得海德漢單場掃描光柵特別適合工作環境惡劣的場合使用，如加工中心。（加工中心因為多有全封閉外殼，加工時所產生的各類污染物高度集中，所以工況極為惡劣。）
光柵的細分誤差成為其應用的重要指標
隨著對機床進給系統運動控制品質要求的不斷提高，光柵測量系統的細分誤差正成為除測量精度，測量步距（分辨率）外一項重要的性能考核指標。
光柵的細分誤差指的是測量系統在一個信號周期內（如 20微米內）的誤差。與此相對應，測量系統在其全部量程中的誤差被定義為測量精度。細分誤差通常是周期性誤差，而測量精度一般為非周期性誤差。
機床運動控制系統從光柵獲取位置值時，光柵讀數頭可能處于一個信號周期的任意位置，控制系統獲取位置值的細分誤差因此是隨機的。對機床運動控制系統而言，細分誤差被認為是機床進給系統的運動誤差，所以運動系統也隨機性地向進給系統動力部件（電機）發送運動控制信號。進給系統動力部件因此長時間執行高頻小行程的往復運動。此類運動對機床運動部件，如軸承，絲杠，導軌等，危害較大。進給系統電器部分，如變頻器和電機因不斷執行加、減速動作，工作電流大，產熱和噪音都明顯增加，進而影響加工質量和工件精度。
圖6 配備了低細分誤差（左圖）及高細分誤差圓光柵的轉臺的熱成像照片。溫差可達20%
同時，尤其對配備了直線電機或扭矩馬達的機床，細分誤差還直接影響機床進給系統速度控制的品質，細分誤差較大的測量系統將直接導致進給系統速度恒定性的不足，進而影響所加工工件的表面質量。
可定義的熱變化性能
光柵的生產和測試過程多在恒溫環境下進行，溫度變化的影響被控制在可以忽略的范圍之內。在實際使用中，除了少數實驗室可以保證恒溫環境外，大多數應用場合的溫度都會有波動。
導致溫度波動的熱源多種多樣，外部環境（陽光，供熱制冷系統，其他設備等）和內部熱源（電器部件，摩擦，切削產熱等）是其中主要部分。采用全閉環的機床可以有效補償機件熱膨脹（收縮）所導致的誤差。
但是，除了機床部件外，光柵本身也會有熱變形。而且光柵的熱變形處于全閉環之外，直接影響加工精度并難于補償。通過特殊的設計和加工工藝，海德漢光柵擁有可定義的熱變化性能，確定的熱力學零點（零變形點），某些型號光柵的熱膨脹系數還與機床床身材料相同，有效減少了機床這部分的誤差。
高可靠性
再先進的機床，沒有高可靠性就無法為用戶創造效益，不會被市場接受。與機床用戶被迫停工可能造成的巨大損失相比，為提高機床重要功能部件可靠性的投資是微小的。
基于這種認識，海德漢在研發，生產和測試等各個環節都不余遺力地為提高產品的高可靠性而努力。
產品的設計得益于公司數十年光柵開發經驗，尤其是與廣大光柵用戶的常年密切合作使得海德漢產品的設計不斷得到優化，更加貼合用戶需要。
在全部生產過程中，海德漢一如既往嚴格執行全面質量管理，產品質量有口皆碑。尤其值得一提的是，為了真正達到控制產品質量的目的，海德漢光柵產品絕大部分零件都在自有的金屬加工，電子和光柵刻線部門生產，避免了外包加工所帶來的質量問題。
圖7 光柵質量檢驗
為了最終確保產品的高可靠性，海德漢對每一件產品都進行嚴格的測試。測試科目涉及動/靜態精度，沖擊和振動，疲勞，冷/熱/濕環境測試，細分誤差，起動性能，防護等級，電磁兼容等等數十項內容。對于其中大多數測量科目，海德漢內部標準都高于通用工業標準的要求。
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