趙航 齊孟雷 武恒澤

摘 要：線性光柵尺能夠直接測(cè)量機(jī)械位置，因此能夠最準(zhǔn)確的反應(yīng)機(jī)床的實(shí)際位置，通過對(duì)線性光柵尺的工作原理、優(yōu)勢(shì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、性能的分析介紹，并對(duì)線性光柵尺在數(shù)控機(jī)床中的使用與維修進(jìn)行實(shí)例分析與論述，為數(shù)控機(jī)床直線位移測(cè)量系統(tǒng)的裝配與維修提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光柵尺 數(shù)控機(jī)床 應(yīng)用 維修

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）009-056-02

在數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)裝置作為核心部件為保證機(jī)床加工精度和速度要求扮演重要角色。由于線性光柵尺動(dòng)態(tài)性能良好，運(yùn)動(dòng)速度恒定性高，能夠直接測(cè)量機(jī)械位置，因此能夠最準(zhǔn)確的反應(yīng)機(jī)床的實(shí)際位置，是所有采用閉環(huán)控制機(jī)床和設(shè)備上進(jìn)給軸的最佳選擇。

1 線性光柵尺工作原理

光柵尺位置測(cè)量系統(tǒng)由光源、透鏡、指示光柵、光電元件、信號(hào)處理電路以及標(biāo)尺光柵組成。通常情況下，除標(biāo)尺光柵外，光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和信號(hào)處理電路裝在一個(gè)部件內(nèi)，這個(gè)部件稱為讀數(shù)頭。線性光柵尺依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理來產(chǎn)生光信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過光電器件的轉(zhuǎn)換處理后，用來檢測(cè)機(jī)械裝置的位移，如圖1所示。輸出信號(hào)是由光源通過刻在直線尺或盤片的柵格線后，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置的處理產(chǎn)生的。讀數(shù)裝置由光源、刻線玻璃與柵格窗、以及光電二極管接收裝置組成。紅外線光束被光電二極管接收前，先通過有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)回產(chǎn)生正弦波形式的光波，這種光波經(jīng)光電二極管接收后，會(huì)轉(zhuǎn)換成最初始的電流正弦波信號(hào)，這些電信號(hào)的周期與柵距是一樣的。

2 線性光柵尺的優(yōu)勢(shì)分析

線性光柵尺在測(cè)量直線軸位置的時(shí)候無需其他任何附加機(jī)械傳動(dòng)部件，控制環(huán)囊括全部進(jìn)給機(jī)構(gòu)，安裝在滑板上的線性光柵尺可以檢測(cè)出機(jī)械傳遞誤差并能在控制系統(tǒng)電路中給予修正。因此，線性光柵尺能夠消除以下誤差：（1）滾珠絲杠溫度特性導(dǎo)致的位置誤差；（2）滾珠絲杠的反向間隙誤差；（3）滾珠絲杠螺距誤差引起的運(yùn)動(dòng)特性誤差。因此，線性光柵尺是高精度定位和高速加工必備測(cè)量裝置。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)與性能

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床所用的線性光柵尺均采用封閉式結(jié)構(gòu)（如圖2所示）：鋁制金屬外殼能夠保護(hù)光柵尺、掃描單元以及軌道免受灰塵、切屑和切削液的污染；自動(dòng)向下壓下的彈性密封條保持外殼的密封；掃描單元的運(yùn)動(dòng)軌道摩擦力很小，軌道內(nèi)置在光柵尺上；連接器將掃描單元和安裝板連接在一起并補(bǔ)償光柵尺和機(jī)床導(dǎo)軌的不對(duì)正誤差；光柵尺和安裝板間的橫向和軸向誤差允許為？.2至？.3mm，具體數(shù)值與光柵尺型號(hào)有關(guān)。

3.2 溫度特性

切削速度的提高和全封閉機(jī)床的廣泛應(yīng)用使機(jī)床防護(hù)罩內(nèi)的溫度不斷提高。由于線性光柵尺的溫度特性直接決定著機(jī)床加工精度，因此，線性光柵尺的溫度特性指標(biāo)越來越重要。一般線性光柵尺的溫度特性應(yīng)與工件或所測(cè)對(duì)象一致。當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)候，線性光柵尺的膨脹或收縮特性必須是確定的和可重現(xiàn)的。線性光柵尺所用的光柵基體具有確定的熱膨脹系數(shù)，用戶可以選擇最適合其應(yīng)用所需溫度特性的線性光柵尺。

3.3 動(dòng)態(tài)性能

機(jī)床效率和機(jī)床性能的不斷提高必然要求更大的進(jìn)給速度和更高的加速度，同時(shí)還必須保持高水平的加工精度。要快速和準(zhǔn)確地傳遞進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，就要求機(jī)床和線性光柵尺具有更高的剛性。 HEIDENHAIN公司的線性光柵尺在測(cè)量方向上有很高的剛性。這是機(jī)床達(dá)到高質(zhì)量和高精度運(yùn)動(dòng)軌跡的重要因素。此外，光柵尺優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能還來源于它重量輕的運(yùn)動(dòng)部件。

3.4 耐用性

機(jī)床進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)行程非常長，三年的運(yùn)動(dòng)行程通常要達(dá)到10，000 km。因此，光柵尺的長期穩(wěn)定和堅(jiān)固可靠格外重要：它是保證機(jī)床穩(wěn)定可用的基礎(chǔ)。由于線性光柵尺在設(shè)計(jì)中充分考慮了各個(gè)細(xì)節(jié)，即使光柵尺工作多年后依然能正常使用。使用壽命長是因?yàn)椴捎梅墙佑|的光電掃描法掃描測(cè)量基準(zhǔn)，而且光柵尺外殼中的掃描光柵采用滾珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。這種密封結(jié)構(gòu)，加上特殊的掃描原理和通過壓縮空氣建立正壓環(huán)境的支持使線性光柵尺具有超強(qiáng)的抗污能力。完善的防護(hù)裝置確保優(yōu)異的抗電氣噪聲的能力。

4 應(yīng)用與維修

對(duì)于機(jī)床控制而言，線性光柵尺能夠消除滾珠絲杠的反向間隙、消除絲桿、導(dǎo)軌由于溫度變化所帶來的位置誤差、消除滾珠絲杠的螺距誤差所帶來的位置誤差。線性光柵尺常常應(yīng)用于以下場(chǎng)合：高精密機(jī)床（提高加工精度，提升產(chǎn)品的品質(zhì)）；大型機(jī)床（大型龍門、臥加、鏜銑床等使用光柵尺能夠減小由于過長的傳動(dòng)鏈帶來的傳動(dòng)誤差，同時(shí)減小溫度變化帶來的形變誤差）；采用直驅(qū)技術(shù)的新型電機(jī)（直線電機(jī)等）。

維修案例1：

某機(jī)械廠有的TH6940數(shù)控加工中心采用SIEMENS 840D系統(tǒng)，在使用過程中產(chǎn)生了25000異常報(bào)警，是Y軸光柵尺的硬件故障，通過修改30200和30240參數(shù)屏蔽光柵尺后異常報(bào)警消失，故障源除了光柵尺外還有電纜和測(cè)量板，因?yàn)閅軸光柵尺拆卸有一定難度，就首先從較容易拆卸的測(cè)量板入手，Y軸測(cè)量板與其它軸型號(hào)相同所以可以調(diào)換檢驗(yàn)，調(diào)換后發(fā)現(xiàn)機(jī)床正常，故故障為Y軸測(cè)量控制板與功率模塊之間的連接插針接觸不良所導(dǎo)致。

維修案例2：

某公司的數(shù)控加工中心縱向工作臺(tái)的線性光柵尺（SIEMENS）在測(cè)量數(shù)據(jù)過程中丟數(shù)（即工作臺(tái)移動(dòng)全程記錄的數(shù)據(jù)變小，而返回到終點(diǎn)數(shù)據(jù)也不能減計(jì)數(shù)到零）。首先確定是讀數(shù)頭部分還是信息處理電路的故障。由于只是縱向工作臺(tái)的移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)出錯(cuò)，而其它方向的測(cè)量數(shù)據(jù)均無異常。把縱向讀數(shù)頭的信號(hào)送到其它方向的信息處理電路，測(cè)量的數(shù)據(jù)仍然是錯(cuò)誤的，故判斷故障在讀數(shù)頭。經(jīng)細(xì)致檢查，懷疑故障可能是光敏元件不良，換上新的光敏元件，故障消除。

5 結(jié)論

應(yīng)用線性光柵尺于數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)系統(tǒng)中，能夠最準(zhǔn)確的測(cè)量機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，提高數(shù)控機(jī)床加工性能。深入研究線性光柵尺的工作原理、性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，可以為線性光柵尺在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用與故障維修提供知識(shí)保障。