多自由度

多自由度测量技术

07/2021

Dplus编码器，理想运动系统之选
直线光栅尺测量直线轴位置，测量中无任何机械传动件，因此，可避免多种潜在误差源：•• 滚珠丝杠温度变化导致的定位误差
•• 反向误差
•• 滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差
因此，要满足机床对高定位精度和高加工
速度的要求，直线光栅尺不可或缺。

Dplus编码器
Dplus编码器可在一个进给轴的多个自由
度上进行测量，因此，可以直接、精确地测量误差和其所导致的机床偏差。Dplus
编码器的突出优点是能优化运动系统，特别能满足高动态性能和高精度运动系统的要求。

欢迎索取以下样本或访问海德汉官网下载样本：www.heidenhain.com.cn：•• 内置轴承角度编码器
•• 光学扫描的模块型角度编码器•• 磁电扫描的模块型角度编码器•• 旋转编码器
•• 伺服驱动编码器•• 直线光栅尺用于NC数控机床•• 接口电子电路•• 海德汉数控系统

2敞开式直线光栅尺广泛用于大量机器设备
和自动化系统，满足其对严格测量精度的要求。典型应用包括：•• 半导体行业的生产和测量设备•• PCB电路板组装机•• 超精密机床，例如加工光学器件的金刚石车床，加工磁盘的端面车床和加工铁
氧体元件的磨床•• 高精度机床•• 测量机、比较仪、测量显微镜和其它精密测量设备•• 直驱电机的位置和速度测量机械结构敞开式直线光栅尺为非接触式测量，由尺体或尺带和读数头组成。因此，为确保直线光栅尺达到高精度，尺体的安装平面需
要达到极高平面度。

更多信息：

本样本是以前样本的替代版，所有以前版本均不再有效。
订购海德汉公司的产品仅以订购时有效的样本为准。
有关产品所遵循的标准（ISO，EN等）
仅以样本中的标注为准。

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一般电气信息，请参见“海德汉编码器接口”样本（ID 1078628-xx）。
有关电缆要求，请参见“电缆和接头”
样本（ID 1206103-xx）。

目录
概要

2

Dplus编码器，理想运动系统之选

4

多自由度测量技术6创新的光栅结构

8

一个编码器，多个自由度

10斜角光栅

12

非平面型间隙测量

14

可转移精度

16

简化电缆连接，更高动态性能技术参数

18LIP 6031 Dplus

20

LIP 281 Dplus

22PP 281 R

24GAP 1081
电气连接26

针脚编号

3

多自由度测量技术传统编码器只能测量一个自由度，无法测量其他方向上不可避免的误差。在多轴系统中，这些误差影响下游轴的工作情况。第一轴的误差可改变整个第二轴的位置，•等等。通常，这些误差都无法测量。

海德汉Dplus系列编码器可测量一个轴的多个自由度。因此，•可测量多个误差，测量后可补偿。

= 导轨误差4更高精度和更高动态性能生产力和精度较以往任何时候更能决定竞争优势的优劣。加工速度快
和加工精度高在生产中仅仅是竞争运动系统的精度取决于多个方面： 非线性导轨误差 垂直平面度，水平直线度
 俯仰，偏向，横滚优势的一个方面：重复精度和可稳
定保持高质量的能力同样重要。可靠地达到高精度可以显著提高生产
能力，高端产品的生产尤其如此。

 垂直度误差 运动特性误差 热膨胀和其他温度影响 迟滞在基本轴上进行理想的位置测量充满挑战，而且是巨大挑战。仅仅优化尺体和读数头不足以最大限度地提高运动系统的精度和动态性能。机器设备的结构设计和温度特性也对
精度和动态性能的提高构成重大影响。多自由度编码器，例如LIP 6000 Dplus，可直接测量这些误差并进行补偿。

5创新的光栅结构6高精度测量提高性能干涉测量原理使用精细栅线的光反射和光干涉产生测量信号。在测量基准的平表面上，反光栅线的高度仅0.2 μm。栅线被扫描掩膜扫描，扫描掩膜是一块栅距相同的透光相位光栅。

干涉扫描编码器的信号周期仅4 μm或在4 μm以内，大面积、无谐波的扫描信号可进行高倍频细分。因此，这些编码器是高分辨率和高精度应用的理想选择。

Dplus编码器，例如LIP 6000 Dplus，在一个尺座上提供两条独立光栅刻轨，两条光栅间的夹角为±45°，在基本轴和辅助轴方向上可直接进行全长和高精度的测量。

海德汉还提供增量式二维编码器，在两个方向上进行相同质量的测量。无需区分基本方向或辅助方向。在此应用中，尺体本身也是一个高精度的二维光栅。

PP 281 R二维增量式编码器

7一个编码器，多个自由度

Dplus编码器的一个测量基准可测量多个自由度。

测量多个自由度

物体在空间中可沿6个轴运动。可分为平动自由度（X轴，Y轴，Z轴）和旋转自由度（RX轴，RY轴，RZ轴）。

通常，测量多个自由度需要使用许多部件。要测量每一个自由度，标准编码器都需要•一个读数头和一个测量基准。但是，海德汉Dplus编码器不需要使用大量部件。

Dplus测量基准含二条光栅刻轨，三个读数头读取信号，可测量多个自由度，例如，•
三个自由度。多自由度测量技术可在简单和紧凑的结构设计中进行复杂测量。

8

自由度：X轴，Y轴
Dplus测量基准及双读数头

自由度：X轴，Y轴Dplus测量基准及Dplus读数头

自由度：X轴，Y轴，RZ轴
Dplus测量基准及标准读数头和Dplus•

读数头9斜角光栅

x(pos1, pos2) =¹2(pos2 – pos1)y(pos1, pos2) =¹2(pos2 + pos1)

22

Dplus读数头

Dplus读数头是海德汉特别开发的一款专用读数头，可同时测量两个自由度。•

EnDat 3接口可通过一条电缆将两个位置值发给控制系统。

因此，可显著减少电缆数量，简化运动系统安装和提高运动系统动态性能。

10及时发现精度误差

如果将光栅直角排列（0°和90°），将无法在辅助测量方向上回零。如果斜角排列，•
则可回零，进而，可在基本方向和辅助方向进行绝对式测量。这种绝对式位置测量•
可达到更高机床精度和可检测误差源。

11

非平面型间隙测量标准编码器在测量时一次只能测量一个自由度。然而，Dplus编码器可在编码器平面上测量多达三个自由度（例如，X轴，Y轴和RZ轴）。在不同平面上进行其它测量可能需要增加编码器数量和使用更复杂的系统设计。

GAP 1081间隙编码器可在垂直方向上测量，方便地扩展系统，增加测量方向，而且保持结构紧凑。GAP 1081部件都安装在编码器的主平面上，因此，可在机器设备上直接、快速开始测量。

这款编码器可轻松进行垂直定位，可沿线性平面连续进行垂直测量。一个反光镜上配两个读数头，因此，甚至可测量被测轴的俯仰或偏向，显著降低计量系统结构的复杂性，简化安装。

自由度：X轴，Y轴，Z轴，RY轴，RZ轴

Dplus测量基准，各配三个读数头12自由度：X轴，Z轴标准测量基准及一个读数头和GAP 1081•
间隙编码器及一个读数头

自由度：X轴，Y轴，Z轴，RY轴，RZ轴

Dplus测量基准及三个读数头和GAP 1081

间隙编码器及两个读数头

GAP 1081扫描场13可转移精度陶瓷尺座上的LIP 201 Dplus测量基准组件

钢尺座上的LIP 201 Dplus测量基准组件

LIP 201 Dplus

第1次测量

环境条件

第2次测量

冷

第3次测量

热

-10 °C•• 温度升高/温度
降低速度：•±10K/h•• 保持时间：2 h24h
稳定时间
（室温）

50 °C，50% rF•• 温度升高/温度
降低速度：•±10K/h•• 保持时间：2 h24h
稳定时间
（室温）

第4次测量

湿度

22 °C，85% rF时

•• 空气湿度变化•
速度：±20%•• 保持时间：2 h72 h
稳定时间
（室温）

*40分钟：3.92 m/s² RMS；15分钟：5.29 m/s² RMS；5分钟：6.86 m/s² RMS（ASTM D 4169）

14

运输条件

振动

第5次测量

6.86 m/s2 RMS*•• 纸板箱包装

Dplus测量基准组件的稳健性测试在应用中，系统精度不仅取决于编码器的安装，也取决于工作期间的环境条件。海德汉在测量机上校准测量基准，确保测量达到高精度，无需在现场环境下和安装后校准。

在发运前，海德汉将测量基准安装在尺座中，避免受到运输、安装和环境条件的不利影响。因此，海德汉在测量机上的精度测量结果完全可以转移到应用中。海德汉提供相应
的精度鉴定表。

1000

跌落试验

跌落高度：0.8 m•• 包装中的测量基
准组件

第1次测量

第4次测量

第3次测量

第6次测量

第2次测量

偏差，nm u

第6次测量

800
600
400

第5次测量

200
0-200-400-600-800- 100004080

相对测量长度的直线度偏差

120

160

200

240

280

320360400440480520

位置，mm u560

15简化电缆连接和提高动态性能多读数头信号
处理

输出接口：
EnDat 3

LIP 6001Dplus测量基准LIP 601Dplus读数头

LIP 608读数头
LIP 6001测量基准16

EnDat 3的多读数头信号处理在一个完整系统中使用多个编码器将增加电缆连接量，也增加系统安装和下游信号处理的复杂性。海德汉EnDat 3接口允许使用单电缆解决方案，是理想的大量数据传输解决
方案，接口中包括Dplus编码器的脉冲整形电路板计算的两个位置值。

在单电缆信号传输中，多读数头信号处理电子电路可以处理多个编码器的位置信号。
用其可以方便地搭建复杂的计量系统，无需繁杂的电缆连接或另外进行位置信号处理。

17

LIP 6031 Dplus

增量式敞开直线光栅尺 两条±45°斜角光栅，可在基本方向和辅助方向上测量 玻璃陶瓷光栅尺，用PRECIMET背胶或安装架固定

0.75±0.12.9

 4.56.8

 ML +10
 2 F845°3620


516.5

1036
 37

要求的配合尺寸

ISO 4762 - M2.5 x (a+6) - 8.8 /ISO 7092 - 2.7

0.1 / 32 Aa



M2.5

 37(32)4x45°

>833.3(32)10 4.50.1 F




Flr
s
1
234
5

=
=
=
=
=
=
=
=
=

18

 2 F816.5

机床导轨
光栅尺长度
参考点位置
测量长度起点（ML）
读数头的移动方向与位置值增加的方向一致
读数头与直线光栅尺间的安装间隙摩尔调整：找正销兰：Ø 2m6胶带
LED信号质量指示灯

4x Ø 3.3
    

Md = 40 Ncm

16 0.1 A B

UNC 4/40



5040.1

0.75 ± 0.1



光栅尺

LIP 6001 Dplus

精度等级X轴方向：±3 µm；Y轴方向：±20 µm

测量基准线性膨胀系数基线误差测量长度（ML）
X轴方向
单位mmZerodur玻璃陶瓷基体的OPTODUR相位光栅；栅距：8 µm
Þtherm  (0 ±0.1) · 10–6 K–1
X轴方向：±0.175 µm / 5 mm；Y轴方向：±0.175 µm / 5 mm
70 120 170	 220 270	 320	 370420770 820 870	 920 970 1020 1140 1240
2240 2440 2640 2840 3040

Y轴方向测量长度±2 mm

重量1.5 g/mm

参考点

LIP 603 Dplus

内部细分倍数

16 384倍（14 bit）

测量步距
处理时间

数据传输速度运动速度细分误差RMS位置信号噪音电气连接电缆长度
供电电压

功率消耗（最高）电流消耗

振动 55 Hz至2 kHz
冲击 11 ms
工作温度重量读数头•APE接头

570 6206701540 1640 1840

720
2040

一个，在测量长度的起点

读数头接口

470 5201340 1440

EnDat 3 172 pm
 5 µs12.5 Mbit/s；25 Mbit/s
 240 m/min±6 nm

1 nm，（1 MHz）

电缆（0.5 m / 1 m / 3 m），电子接口在15针D-sub接头（针式）内
12.5 Mbit/s：≤ 100 m；25 Mbit/s：≤ 40 m
用PWM 21调整信号时：≤ 3 m
DC 3.6 V至14 V
1.5 W

12 V时： 100 mA（空载，典型值） 500 m/s2（EN 60068-2-6）
 1000 m/s2（EN 60068-2-27）–10 °C至70 °C
27 g
108 g

19

LIP 281 Dplus

增量式敞开直线光栅尺 附加Y轴刻轨，测量垂直于测量方向的偏差 玻璃陶瓷，用PRECIMET背胶或安装架固定n x 100
10037

M3x6 ISO 7984 < 60+ISO 7092-3



45° 

14.54

7.5

3.2 ± 0.1


25



2.5mrad B

0.01/10 F(7.825)25

33 ± 0.1.5
1245°



 60(52.201)

8M3

n x 100
100(67.073)

7.825

2.5mrad B

18

M3x6 ISO 7984

r22.9

 = ML + 40

 3.7



0.02 A CZ（两个读数头）(beideAbtastköpfe)UNC 4/40.5
122489.25

2420

机床导轨
光栅尺长度
参考点位置
测量长度起点（ML）
粘结固定
粘结剂的安装件，以定义热中性点
有效测量点（光栅尺表面下方0.2 mm）
根据测量长度ML，使用另一对安装架
读数头的移动方向与位置值增加的方向一致光学中心线
横向测量长度ML：±0.6 mm



7.

57.



33.3

9.35.5

=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=

16.5 ± 0.5.5
16
11 .5.066

1031 .516


12Flr
skg
12345

76.5 ± 0.5.50.2

10Z

5:1

M2.5
4 deep (4x)42.5 ± 0.5



 3.7

0.02/100 F

2 ± 0.1
2.9 ± 0.1

Z

INVISIBLE LASER RADIATION
IEC60825-1:2007
Pmax = 4 mW
λ= 850 nm
CLASS 3B LASER PRODUCT光栅尺LIP 201 Dplus

精度等级X轴方向：±3 µm；Y轴方向：±20 µm

测量基准线性膨胀系数基线误差

测量长度（ML）X轴方向 ， 单位 mmY轴方向测量长度Zerodur玻璃陶瓷基体的OPTODUR相位光栅；栅距：2.048 µm
Þtherm  (0 ±0.1) · 10–6 K–1
X轴方向：±0.125 µm/5 mm；Y轴方向：±0.125 µm/5 mm   70	  120	  170	  220	  270	  320	  370	  420	  470	  520	  570	  620	  670	  720±2 mm1)

参考点

一个，在测量长度的中点位置

读数头

LIP 21

LIP 29F

LIP 29M

LIP 28订购标识

EnDat 22

Fanuc02

Mit02-4–

测量步距		 

0.03125 nm（31.25 pm）

7.2 g + 0.18 g/mm

重量EnDat 2.2

接口内部细分倍数运动速度
细分误差16 384倍（14 bit）

发那科串口
接口

三菱高速接口 120 m/min±0.4 nm1)

RMS位置信号噪音0.12 nm电缆长度

参见接口描述；然而，应  15 m （ 30 m，1 VPP时），海德汉电缆；•用PWM 21调整信号时： 3 m

电气连接供电电压功耗电流消耗振动 55 Hz至2 kHz
冲击 11 ms
工作温度重量读数头•接头» 1 VPP–– 90 m/min
0.12 nm（3 MHz）2)

电缆（0.5 m / 1 m / 3 m）带15针D-sub接头（针式）；接口电子电路在接头内DC 3.6 V至14 V

DC 5 V ±0.25 V

5 V时： 300 mA（空载，典型值） 390 mA

14 V时：2.5 W；3.6 V时：2.6 W
 200 m/s2（EN 60068-2-6）
 400 m/s2（EN 60068-2-27）–

0 °C至50 °C59 g
140 g1) 带海德汉接口电子电路2) 后续电子电路的截止频率为–3 dB

21

PP 281 R

二维增量式编码器 测量步距1 µm至0.05 µm

①③③

*Fr
12322======

工作期间的最大变化机床导轨
图示为相对中心位置的参考点位置
安装时的调整光栅端读数头的移动方向与位置值增加的方向一致

②

PP 281 R

玻璃基体的二维TITANID相位光栅；栅距：8 µm
Þtherm  8 · 10–6 K–1

测量基准线性膨胀系数精度等级

±2 µm参考点1)

每轴一个参考点，位于测量长度起点位置后的3 mm处

68 mm x 68 mm，如果需要其它测量区尺寸，可按要求提供测量区» 1 VPP

接口

信号周期
截止频率
运动速度–3 dB

细分误差RMS位置信号噪音

4 µm

 300 kHz 72 m/min±12 nm3)
2 nm（450 kHz2)）

电气连接电缆（0.5 m）带15针D-sub接头（针式）；接口电子电路在接头内供电电压DC 5 V ±0.25 V电缆长度

参见“接口”描述；然而应  30 m（海德汉电缆）电流消耗

振动55 Hz至2000 Hz
冲击11 ms
工作温度重量1)

读数头二维栅盘
接头<185 mA，每轴

 80 m/s2（EN 60068-2-6）
 100 m/s2（EN 60068-2-27）
0 °C至50 °C

170 g（不含电缆）
75 g
140 g

参考点信号偏离接口技术参数中的零点宽度K、L（参见安装说明）
后续电子电路的截止频率为–3 dB3)
带海德汉接口电子电路（例如EIB 741）
2)

23

GAP 1081增量式敞开直线光栅尺
 垂直间隙测量 玻璃反光镜，PRECIMET背胶固定
B-B
ISO 4762 M3x (a-t+3) -A2
12



atB

576

2.25

1011

8.25

4.139

5.7

16.9

0.02/100 C

6.239±0.05

B184.51221.7



0.4

90°

0.03 A 2.5 H7


18Pin  2.511

 0.03 C B A

17.519

 3.4A-A

Pin  3187.769

 3 H7

A

 6.50.25

 0.03 C B A

安装编码器的阵列孔

A



1
23
45

=
=
===

编码器的安装面
反光镜的安装面
反光镜
电缆长度：1.5 m
名义中心

16

Md = 40 Ncm

5040.1

UNC 4/40

33.3

 4.5

>8

VISIBLE LASER RADIATION
IEC60825-1:2008
Pmax = 100 mW
λ= 660 nm
CLASS 3B LASER PRODUCT24

反光镜

GAP 1001

测量范围

±2 mm

玻璃，OPTODUR反光镜Þtherm  8 · 10–6 K–1 （玻璃）反光镜座线性膨胀系数参考点

一个参考点，位于测量长度的中点位置
0.11 g/mm

重量读数头

GAP 108

接口

1 VPP

安装间隙（名义值）4.14 mm

信号周期		 2.2 µm

运动速度

 60 mm/s

截止频率–3 dB

细分误差RMS位置信号噪音
电气连接电缆长度
供电电压功耗

电流消耗激光振动 55 Hz至2000 Hz
冲击 11 ms
工作温度
重量

读数头
接头

 27 kHz
±4 nm

 100 pm电缆（0.5 m/1 m/3 m）带15针D-sub接头（针式），接口电路在接头内参见“接口”描述（根据接口电子电路)，然而应  30 m ，海德汉电缆；•用PWM 21调整信号时： 3 m
DC 5 V ±0.25 V
1500 mW

 300 mA
3B级

 200 m/s2（EN 60068-2-6）
 400 m/s2（EN 60068-2-27）
0 °C至50 °C50 g
120 g* 数据位级参考点精度： 22 °C ±2 °C

25

针脚编号
LIP 603

15针D-sub接头42)12电源

21019311/

UP

传感器
5V0V

传感器
0V

空

空

空

棕色/•
绿色

蓝色

白色/•
绿色

白色///

空

其它信号
14空

7空

135空

空////

电缆屏蔽层连接外壳；UP = 电源电压传感器：传感线在编码器内连接相应的电源线。
禁止使用空针脚或空线。

更多信息：

6

串行数据传输

空815DATA DATA/绿色/黑色

黄色有关电缆的更多信息，请参见•“电缆和接头”样本。

26

LIP 281和PP 281 R
15针D-sub接头412电源21019增量信号311147» 1 VPP

UP

传感器
5V0V

传感器
0V

A+A–B+B–R+R–2)

棕色/•
绿色蓝色

白色/•
绿色白色棕色

绿色灰色粉色红色黑色电缆屏蔽层连接外壳；UP = 电源电压传感器：传感线在编码器内连接相应的电源线。
禁止使用空针脚或空线。

1)

13

已
分配1)
空3)
紫色

其它信号

56/8

红色/•
黑色/已分配1)
空3)

/15

已
分配1)
空3)
黄色 仅适用于调试；严禁用于正常工作连接电缆的颜色定义3)
PP 281 R2)27

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