光柵測量裝置在數(shù)控機床中的應(yīng)用

李 松，魏明亮

沈陽機床成套設(shè)備有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110142

伴隨當(dāng)今技術(shù)手段的逐漸提高，既往的加工方式已經(jīng)不能滿足對精度的需求，于是數(shù)控機床的應(yīng)用就逐漸加多，同時對于數(shù)控機床精度的要求也日漸提高，但是想要根本上實現(xiàn)數(shù)控機床精度的提高的關(guān)鍵措施是明確機床出現(xiàn)的定位誤差以及利用相應(yīng)的補償方法對定位誤差給予合理的補償[1]。應(yīng)用雙頻激光測量法以及光柵測量技術(shù)兩種方法對機床的精度以位移進(jìn)行精確的測量。前者的精度較后者優(yōu)越，但要有嚴(yán)格的應(yīng)用條件，操作繁瑣[2]。相對前者而言，后者的應(yīng)用范圍較廣，可靠性較高，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，花費少，有較強的抗干擾性，應(yīng)用較廣。

針對誤差的較好糾正可以利用電子學(xué)細(xì)分以及數(shù)字化處理的方法進(jìn)行，這樣的方法能夠增加系統(tǒng)的準(zhǔn)確率[3]，同時應(yīng)用光柵對數(shù)控機床進(jìn)行精度的檢測，利用數(shù)字脈沖的形式把數(shù)據(jù)上傳至CNC裝置，進(jìn)而達(dá)到閉環(huán)操控；光柵技術(shù)也隨著激光的提高而升級，使精度達(dá)到微米級的程度，較廣的應(yīng)用于機密機械儀器、以及數(shù)控機床等方面。本研究針對數(shù)控機床對該方法給予闡述。

1 數(shù)控機床誤差分析

對數(shù)控機床精度的相關(guān)元素諸多，必須要對誤差的原因進(jìn)行合理的分析，因病施治，才能提高數(shù)控機床的精度。數(shù)控機床一般以及對精度形成的影響將誤差劃分為幾種：機床的幾何誤差、熱變形產(chǎn)生的誤差以及控制系統(tǒng)的誤差等。各個誤差在機床進(jìn)行工作的過程中所占的比例各不相同，往往以幾何誤差以及熱變形誤差所造成的影響頗大。

2 光柵測量裝置的應(yīng)用

2.1 基本結(jié)構(gòu)

應(yīng)用光柵進(jìn)行測量時主要涉及光柵尺以及讀數(shù)頭兩個重要組成部分[4]，前者主要由一些零標(biāo)記形成，位于數(shù)控機床的導(dǎo)軌附近，在定尺的上方安置兩個密閉條，這樣就可以工作中有雜物的影響而出現(xiàn)讀數(shù)的差錯；后者由光柵、光源、放大電路、透鏡以及光電元件等共同構(gòu)成，往往利用工作臺應(yīng)用燈絲或硅光電此進(jìn)行操作。

2.2 測量原理

應(yīng)用的機理是光的衍射，借助相對運動的原理，出現(xiàn)了莫爾條紋信號后，利用讀數(shù)頭以及后續(xù)電路轉(zhuǎn)換相應(yīng)的信號，讀取信號。如果長度一樣的光柵形成很小的夾角，莫爾條紋與光柵的方向接近垂直的情況[5]。隨著線條的相對運動，會出現(xiàn)不同強度的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而合理的分析信號即可得出相對的位移量。

2.3 光柵尺工作原理

由光源、指示光柵以及主光柵等共同構(gòu)成的光柵的工作機理如下。通過應(yīng)用莫爾條紋現(xiàn)象來對位移進(jìn)行衡量的方法來計量光柵，該方式能夠高效的測量能力，同時相應(yīng)的條件較寬松；具體工作的過程中，要把光源置于側(cè)方，如果位移出現(xiàn)于主光柵與指示光柵之間，就會出現(xiàn)強弱不一的莫爾條紋。于是，傳感器就醫(yī)函數(shù)曲線的形式把經(jīng)過放大的信號以脈沖的形式轉(zhuǎn)為脈沖方波，最終對位移給予相應(yīng)的測量。

2.4 光柵莫爾條紋的辨向

保證光柵測量的重要過程就是光柵信號方向的辨別，隨著莫爾條紋出現(xiàn)的正弦曲線的類似變化，光電元件也會隨之呈現(xiàn)類似的形態(tài)變化；將這樣的信號整合成相應(yīng)的脈沖，最后一數(shù)字的形式進(jìn)行輸出，可以利用脈沖的個數(shù)對位移量進(jìn)行確認(rèn)。

3 光櫥測量裝置的維護(hù)

3.1 Z軸檢測信號丟失

數(shù)控機床的運行中，如果出現(xiàn)儀器的損耗，就會是零件間隙加寬，甚至出現(xiàn)零件的損壞，這樣機器也就出現(xiàn)一定的功能障礙，也就是說，對光柵測量裝置進(jìn)行嚴(yán)格的維護(hù)才能保證數(shù)控機床順利的工作[6]。如果出現(xiàn)光柵設(shè)備的應(yīng)用超過一定的年限，就會難以維持測量的準(zhǔn)確性。

3.2 加工時出現(xiàn)周期性波紋

如果在數(shù)控機床運行的時候表面產(chǎn)生周期性波紋，就要首先對機床進(jìn)行監(jiān)測，這時會發(fā)現(xiàn)X軸電機產(chǎn)生規(guī)律的擺動的現(xiàn)象，要注意機械以及液壓系統(tǒng)的運行有否正常運作，運行正常，故障點則位于X軸，利用雙路示波器將信號進(jìn)行傳出即可；如出現(xiàn)電機運行速度降低的情況，注意的影響因素是測量裝置不能很可靠的輸出信號，引起測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響輸出的電壓的穩(wěn)定性，這時可以通過對單元進(jìn)行更新，變可以使數(shù)控機床有效的運行[7]。

4 結(jié)論

盡管目前的光柵的測量的儀器已經(jīng)能夠做到擁有相當(dāng)高的精度，但同時也增加了對于操作者的限制。要求操作者明確該裝置的運行的機理，對光柵測量的方法熟練的應(yīng)用，這樣方能在現(xiàn)實的運行中體現(xiàn)該裝置的優(yōu)點，進(jìn)一步增加數(shù)控機床的精度，高效的、及時的對誤差進(jìn)行識別并將其減至盡可能小的程度，為數(shù)控機床精度的控制服務(wù)。

[1]玉剛.數(shù)控技術(shù)機械工業(yè)出版社，2003.

[2]孫亮.精密工作臺光柵定位測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計測試技術(shù)，2007.

[3]劉煥牢.數(shù)控機床幾何誤差和誤差補償關(guān)鍵技術(shù)機械工程師，2003.

[4]Chana Raksiri，Manukid Parni chkun.Geometric and force errors compensation in a 3-axis CNC milling machine[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture，2004，44: 1283-1291.

[5]R.ramesh，M.A.Mannan，A.N.Poo.Error compensateion in machine toolsa review part1:geometric, cutting force induced and fix-ture dependent errors[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2000，40: 1235-1256.

[6]國家自然科學(xué)基金委員會工程與材料科學(xué)部.學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報告（2006年-2010年）——機械與制造科學(xué).北京：科學(xué)出版社，2006.

[7]Liu X，et al.The mechanics of machining at the macroscale: assessment of the current state of the science [J].ASME J.Manuf.Sci.Eng,2004(126).