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光柵尺在數控機床中的應用（yòng）

2018-8-15 來源：海機床廠有限公司作者（zhě）：王培

摘要：隨（suí）著數控機床在（zài）加工領域的（de）普遍使用，對於數（shù）控機床所加工的產品的精度要求的不斷提（tí）高，輔佐數控機床在加工中的走（zǒu）刀精度的（de）產品也運（yùn）用到數控機床中，光柵尺就是一種輔佐數控機床走刀（dāo）精度的產品。光柵尺，也稱為（wéi）光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），經常應用於數控機床的閉（bì）環（huán）伺服係（xì）統（tǒng）中，可用作直線位（wèi）移或者角位移的檢測。在數控機床中常用於對刀具和工件的坐（zuò）標進行檢測（cè），來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償刀具（jù）的運動誤差的（de）作用（yòng）。數控機床安（ān）裝了光柵尺，可以保障機床的走刀精度，對於數控機床的加工精度有著（zhe）良好的輔助效果。

關鍵詞：光柵尺（chǐ）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（shū）出的信（xìn）號（hào）為數字脈衝，具有檢（jiǎn）測範圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。光柵尺按製（zhì）造方法和（hé）光學原（yuán）理的不同，分為透射光柵和反射光柵。對於數控（kòng）機床的精確加工要求，光柵尺的使用（yòng），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（shān）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（zài）機床活動部件（jiàn）上，指示光柵裝在光柵讀（dú）數頭中.

光柵檢測裝置（zhì）的關鍵部（bù）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（děng）組成。光柵讀數頭（tóu）結構形式很多，根據讀數頭結構特（tè）點和使用場合分為（wéi）直（zhí）接接收式（shì）讀數（shù）頭、矽光電池讀數頭、鏡像式（shì）讀數頭、分光鏡式讀數頭、金屬（shǔ）光柵（shān）反射式讀數頭。

2 、光柵尺工（gōng）作原理

2.1 莫爾條紋

以透射光柵為（wéi）例，當指示光柵上的（de）線紋和標尺光柵上的線紋（wén）之（zhī）間（jiān）形成一個小角度θ，並且兩個光柵尺刻（kè）麵相對平行放置時，在光源的照射（shè）下，位於幾乎垂（chuí）直的柵紋上，形成（chéng）明暗相間的條紋。這種條紋稱（chēng）為“莫爾條紋”，如圖 1 所示。嚴格地說，莫爾（ěr）條紋排列的方向是（shì）與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂（chuí）直。莫爾條紋（wén）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（yǐ）W表示。

圖 1 莫爾條（tiáo）紋示意圖

2.2 莫爾條紋具有以下特（tè）征（zhēng）

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（tiáo）紋移過一個（gè）條紋距離。由於光的衍射與幹（gàn）涉作用（yòng），莫爾條紋的變化規律近似正（zhèng）(餘)弦函（hán）數，變化周期數與光柵相對位移的柵距數同（tóng）步。

2）放大作用

3) 均化誤差作用

莫爾條紋是由若幹光柵（shān）條紋共同形成，例如每毫米 100 線的光柵（shān），10mm 寬度的莫爾條紋就有1000 條線紋，這（zhè）樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了，消除（chú）了由於柵距不均勻、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，且製造困難（nán）。為了（le）提高係統分辨率，需要對莫爾條紋進行細分，目前（2006 年（nián））光（guāng）柵尺傳感器係（xì）統多采用電子細分方（fāng）法。當（dāng）兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光（guāng）柵刻線大致垂直的方向上就會產（chǎn）生莫爾（ěr）條紋，隨著光柵的移（yí）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（zhuǎn）換（huàn）為對莫爾條紋個數的（de）測量。在一個莫爾（ěr）條紋寬度內（nèi），按照一定間隔放置 4 個光電（diàn）器件就能實現電子細分與判向功（gōng）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（yòng）四細分後（hòu）便可得到分辨率為 5μm 的計數脈衝（chōng），這在工業普通測控中已達到了很高（gāo）精度。由於位移是一個矢量，即（jí）要（yào）檢測其大小，又（yòu）要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同（tóng）的光電信（xìn）號。為了消除共模（mó）幹擾（rǎo）、直（zhí）流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運放構成的差分（fèn）放大器（qì）。由 4 個光敏器件獲得的 4 路光電信號分別送到（dào） 2 隻差（chà）分放大器輸入端，從差分放大器（qì）輸出的兩路信號其相位差為 π/2，為得到（dào）判向和計（jì）數脈衝，需對（duì）這兩路（lù）信號進行整形，首先把它們整形為占空比為（wéi） 1：1 的方波。然（rán）後，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（xiàng）。通過對方波脈衝（chōng）進行計數，可以（yǐ）等到光柵尺的位移和速度。

4 、光柵尺在（zài）數控機床（chuáng）中的安裝

光柵尺線位移傳感器的（de）安裝（zhuāng）比較靈活，可安裝在機床的不同部位。以 FANUC 係統數控端麵外圓磨床為例（lì），使用的是 LC193F 絕（jué）對光柵尺，且安裝在（zài）工作台和砂輪架（jià）導軌（滑板）上（shàng），隨機床走刀而（ér）移動，讀數頭固定在床身上，盡可能使讀數（shù）頭安裝（zhuāng）在主尺（chǐ）的（de）下方。其（qí）安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液（yè）的（de）濺落方向。另外，一般情況（kuàng）下，讀數頭應盡量安裝在相對機床靜（jìng）止部件上，此時輸出導線不移動易固定，而尺身則（zé）應安裝在相對機床運動的滑板上，同時傳感器（qì）不能安裝在打底塗（tú）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（chuáng）相對運（yùn）動的兩（liǎng）個部件上。用千分表檢查機床工作台的主尺安裝麵（miàn）與（yǔ）導軌運動的方向平行度。千（qiān）分表固（gù）定在床（chuáng）身上，移動工作台，要求達到（dào）平行（háng）度（dù）0.1mm/1000mm 以內。光柵尺位移傳感器全部安裝完以後，一定要在機（jī）床導軌上安裝限位裝（zhuāng）置，以免機床加工產品移動（dòng）時讀數頭衝撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。在機床上選取一個參考（kǎo）位置，來回（huí）移動工作點至該選取的位置，數顯表讀（dú）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（shù）顯（xiǎn）表同時調至零（或記憶起始數據），往返多次後回（huí）到（dào）初始位置，觀察數（shù）顯表與千分表的數據是否一致。光柵（shān）尺的機械安裝就完成，之後就是要在FANUC 數控係統中生（shēng）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（chǐ）為例，並（bìng）且作（zuò）用於FANUC 數控機床中：

（1）急（jí）停狀態

圖 2 FSSB 軸設定畫麵示意圖

(7) 各軸移動中的最大（dà）允許位置誤差

No.1828=500 以防飛車。

（8）No.1815#1=1 此操（cāo）作會使得 No.1815#4 由 1 變 0

（9）係統斷電重啟：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（líng）結束。

設置完成後，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（de）內（nèi）部數值失控檢測溢（yì）出（chū））。修（xiū） No.2200#0→1，來屏蔽此報警（不進行報警不一（yī）致報（bào）警的檢（jiǎn）測（cè））

沒有報警的情況下，以 X1 倍率手搖伺服（fú）軸，如（rú）果出現飛（fēi）車，出現 411 報警（n 軸的移動誤差過大），這時修（xiū）改 No.2018#0 的值（分離式檢（jiǎn）測器信號方向相反）。以上光柵尺的參數設置成功並且生效後，就能將光柵尺的作用在數控（kòng）磨床的加工（gōng）中發揮起來，以其對於數控機床的走刀補償來達到並且滿足機床所需要的加工工件的工藝精度要求，為產品（pǐn）加（jiā）工（gōng）的合格品提供良好的保障（zhàng）。

6 、光柵尺的保養（yǎng）

光柵尺傳感（gǎn）器與數顯（xiǎn）表插頭座插拔時應關閉電源後進行，外加保護（hù）罩，並及時清理濺（jiàn）落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異（yì）物進入光柵尺傳感器殼體內部。定（dìng）期檢查各安裝聯接螺釘是否鬆動。為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻塗上一薄層矽油（yóu），注意勿濺落在玻璃光（guāng）柵刻劃麵上。光柵尺（chǐ）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（xiào）了（le）。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（fāng）麵可能破壞光柵尺傳感器的精度（dù）；另一方麵還可能（néng）造成主柵尺與副柵尺的相對摩擦，損壞鉻層也就（jiù）損壞了柵線，以而造成光柵尺報廢。應注意防止油汙及水（shuǐ）汙染光柵尺麵（miàn），以免（miǎn）破壞光柵尺線條紋分布，引起測量誤（wù）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（shān）尺在（zài）數控機床上的安裝及生效參數設置，並且（qiě）在日常工作中（zhōng）正確保養光柵尺（chǐ），使之能完好的在機床的加工高精度要求下，穩定（dìng）精確的（de）為機（jī）床（chuáng）加工服務。

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