光柵尺在數控機床中的應用
2018-8-15 來源： 海機床廠有限公司 作者：王 培
摘 要： 隨著數控機床在加工領域的普遍使用，對于數控機床所加工的產品的精度要求的不斷提高，輔佐數控機床在加工中的走刀精度的產品也運用到數控機床中，光柵尺就是一種輔佐數控機床走刀精度的產品。光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），經常應用于數控機床的閉環伺服系統中，可用作直線位移或者角位移的檢測。在數控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償刀具的運動誤差的作用。數控機床安裝了光柵尺，可以保障機床的走刀精度，對于數控機床的加工精度有著良好的輔助效果。
關鍵詞：光柵尺 莫爾條紋 判向法 參數設置
光柵尺是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置，其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。光柵尺按制造方法和光學原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。對于數控機床的精確加工要求，光柵尺的使用，可以更加穩定的達到機床精度要求，在生產中保證產品的優品質量，應用較為廣泛。
1 、光柵尺的結構與檢測裝置
光柵尺是由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床固定部件上，光柵讀數頭裝在機床活動部件上，指示光柵裝在光柵讀數頭中.
光柵檢測裝置的關鍵部分是光柵讀數頭，它由光柵尺外觀源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調整機構等組成。光柵讀數頭結構形式很多，根據讀數頭結構特點和使用場合分為直接接收式讀數頭、硅光電池讀數頭、鏡像式讀數頭、分光鏡式讀數頭、金屬光柵反射式讀數頭。
2 、 光柵尺工作原理
2.1 莫爾條紋
以透射光柵為例，當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ，并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋”，如圖 1 所示。嚴格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示。
圖 1 莫爾條紋示意圖
2.2 莫爾條紋具有以下特征
1)莫爾條紋的變化規律
兩片光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規律近似正(余)弦函數，變化周期數與光柵相對位移的柵距數同步。
2）放大作用
3) 均化誤差作用
莫爾條紋是由若干光柵條紋共同形成，例如每毫米 100 線的光柵，10mm 寬度的莫爾條紋就有1000 條線紋，這樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。
3 、 電子細分與判向法
光柵測量位移的實質是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。高分辨率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統分辨率，需要對莫爾條紋進行細分，目前（2006 年）光柵尺傳感器系統多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個數的測量。在一個莫爾條紋寬度內，按照一定間隔放置 4 個光電器件就能實現電子細分與判向功能。例如，柵線為 50 線對/mm 的光柵尺，其光柵柵距為 0.02mm，若采用四細分后便可得到分辨率為 5μm 的計數脈沖，這在工業普通測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運放構成的差分放大器。由 4 個光敏器件獲得的 4 路光電信號分別送到 2 只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為 π/2，為得到判向和計數脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為 1：1 的方波。然后，通過對方波的相位進行判別比較，就可以等到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數，可以等到光柵尺的位移和速度。
4 、 光柵尺在數控機床中的安裝
光柵尺線位移傳感器的安裝比較靈活，可安裝在機床的不同部位。以 FANUC 系統數控端面外圓磨床為例，使用的是 LC193F 絕對光柵尺，且安裝在工作臺和砂輪架導軌（滑板）上，隨機床走刀而移動，讀數頭固定在床身上，盡可能使讀數頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。另外，一般情況下，讀數頭應盡量安裝在相對機床靜止部件上，此時輸出導線不移動易固定，而尺身則應安裝在相對機床運動的滑板上，同時傳感器不能安裝在打底涂漆或者粗糙不平的床身。光柵主尺及讀數頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上，移動工作臺，要求達到平行度0.1mm/1000mm 以內。光柵尺位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機床導軌上安裝限位裝置，以免機床加工產品移動時讀數頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。在機床上選取一個參考位置，來回移動工作點至該選取的位置，數顯表讀數應相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表與數顯表同時調至零（或記憶起始數據），往返多次后回到初始位置，觀察數顯表與千分表的數據是否一致。光柵尺的機械安裝就完成，之后就是要在FANUC 數控系統中生效。
5 、 光柵尺在數控機床中的參數設置
以光柵 LC193F 絕對光柵尺為例，并且作用于FANUC 數控機床中：
（1）急停狀態
圖 2 FSSB 軸設定畫面示意圖
(7) 各 軸 移 動 中 的 最 大 允 許 位 置 誤 差
No.1828=500 以防飛車。
（8）No.1815#1=1 此操作會使得 No.1815#4 由 1 變 0
（9）系統斷電重啟： 方向反則：No.2018#0 的值進行修改。（分離式檢測器信號方向反轉）
（10）回零結束。
設置完成后，重新通電，如果出現 417 報警（n軸參數不對，此時查找診斷號 352 的內容，為 10016（參數的內部數值失控檢測溢出）。修 No.2200#0→1，來屏蔽此報警（不進行報警不一致報警的檢測）
沒有報警的情況下，以 X1 倍率手搖伺服軸，如果出現飛車，出現 411 報警（n 軸的移動誤差過大），這時修改 No.2018#0 的值（分離式檢測器信號方向相反）。 以上光柵尺的參數設置成功并且生效后，就能將光柵尺的作用在數控磨床的加工中發揮起來，以 其對于數控機床的走刀補償來達到并且滿足機床所需要的加工工件的工藝精度要求，為產品加工的合格品提供良好的保障。
6 、 光柵尺的保養
光柵尺傳感器與數顯表插頭座插拔時應關閉電源后進行，外加保護罩，并及時清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異物進入光柵尺傳感器殼體內部。定期檢查各安裝聯接螺釘是否松動。為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油，注意勿濺落在玻璃光柵刻劃面上。光柵尺傳感器嚴禁劇烈震動及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂，光柵尺傳感器即失效了。不要自行拆開光柵尺傳感器，更不能任意改動主柵尺與副柵尺的相對間距，否則一方面可能破壞光柵尺傳感器的精度；另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報廢。應注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布，引起測量誤差。
7 、結語
通過對光柵尺的結構和工作原理的了解，熟悉和掌握光柵尺在數控機床上的安裝及生效參數設置，并且在日常工作中正確保養光柵尺，使之能完好的在機床的加工高精度要求下，穩定精確的為機床加工服務。
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