光柵尺的防護(hù)設(shè)計(jì)與研究

王亞峰，夏田

(陜西科技大學(xué)，陜西西安710021)

機(jī)械加工的自動化、對加工精度要求的日趨提高，推動了在線測量技術(shù)和精密自動計(jì)量技術(shù)的發(fā)展。與其他位移測量系統(tǒng)相比，光柵測量系統(tǒng)具有量程大、精度高、穩(wěn)定性好、較強(qiáng)的信息傳輸功能和性能價(jià)格比，它廣泛應(yīng)用于各種加工設(shè)備和計(jì)量儀中。在高精度的數(shù)控機(jī)床中，光柵常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，用作直線位移或角位移的檢測，檢測機(jī)床直線軸的實(shí)際位移是否和數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令相符，以提高機(jī)床的控制精度和加工精度。

在高精度的數(shù)控機(jī)床上，光柵已得到了廣泛的應(yīng)用。光柵作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)終端檢測元件，其精度直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度甚至機(jī)床的正常使用。因此，在工程實(shí)際中，必須做好光柵的防護(hù)措施，防止光柵暴露在惡劣的切削環(huán)境下，造成光柵的污染或報(bào)廢，影響光柵的使用壽命。

1 光柵工作要求與環(huán)境分析

數(shù)控機(jī)床大多采用油冷卻，在機(jī)床切削過程中，冷卻油的噴濺會在機(jī)床罩殼內(nèi)形成油氣。傳統(tǒng)光柵為開放式安裝，這些油氣、冷卻液及鐵屑會通過光柵尺身與讀數(shù)頭的滑行間隙進(jìn)入光柵內(nèi)部，破壞光柵線條紋分布，造成光柵的污染。光柵被污染后會引起測量誤差、直線軸在回參考點(diǎn)中找不到零脈沖、直線軸在運(yùn)行過程中報(bào)警，甚至出現(xiàn)直線軸暴走的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會直接導(dǎo)致光柵報(bào)廢。因此，對處于封閉式機(jī)床內(nèi)部的光柵進(jìn)行防護(hù)，避免光柵暴露在切削液、冷卻油的環(huán)境中，以延長光柵的使用壽命。

2 設(shè)計(jì)思路與防護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路

將光柵置于一個(gè)封閉的防護(hù)裝置內(nèi)，將其與冷卻油、鐵屑、灰塵隔絕，使其在完全獨(dú)立的空間工作，保證光柵的檢測精度和工作效率。光柵防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示(拆去頂蓋)。其工作原理為:直線光柵尺安裝于防護(hù)裝置底座內(nèi)，拉動連接桿將會通過塞子帶動連接塊運(yùn)動，連接塊的運(yùn)動將帶動滑塊與光柵讀數(shù)頭一起運(yùn)動，通過導(dǎo)軌的導(dǎo)向，使讀數(shù)頭的運(yùn)動平穩(wěn)、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)光柵尺身與讀數(shù)頭的相對運(yùn)動，完成檢測功能。

圖1 光柵防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 讀數(shù)頭導(dǎo)向與出線設(shè)計(jì)

光柵讀數(shù)頭的導(dǎo)向通過直線導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)。拉動連接桿將會通過塞子帶動連接塊運(yùn)動，連接塊的運(yùn)動將帶動滑塊與光柵讀數(shù)頭一起運(yùn)動，通過導(dǎo)軌的導(dǎo)向，使讀數(shù)頭的運(yùn)動平穩(wěn)、準(zhǔn)確。同時(shí)，光柵讀數(shù)頭的伸出線通過預(yù)留在連接桿與限位套上的豁口進(jìn)入連接桿后伸出防護(hù)裝置外。連接桿與限位套結(jié)構(gòu)如圖2 所示，都采用無縫鋼管。限位套一方面可以增強(qiáng)連接桿進(jìn)線缺口處的剛性，另一方面還能起到光柵尺右端的機(jī)械限位作用。光柵尺左端的機(jī)械限位由限位螺母來實(shí)現(xiàn)。

圖2 限位套、連接桿結(jié)構(gòu)

2.3 光柵安裝精度保證

底座結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 底座結(jié)構(gòu)圖

底座采用鑄件。光柵尺身的兩個(gè)安裝凸臺與導(dǎo)軌的安裝面加工至平行度0.01 mm，需要滿足光柵安裝后，讀數(shù)頭上表面與滑塊上表面在同一高度上。底座右側(cè)(或左側(cè))加工一條校正帶，此校正帶既作為防護(hù)裝置內(nèi)安裝導(dǎo)軌時(shí)的測量基準(zhǔn)，也作為防護(hù)裝置整體安裝于機(jī)床上時(shí)的測量基準(zhǔn)，保證安裝精度。

3 防護(hù)性能測試

3.1 滲漏試驗(yàn)

向防護(hù)裝置(注:裝配時(shí)在底座與左端蓋、右端蓋、頂蓋間加δ =1 mm 的紙鉑或橡膠墊圈)內(nèi)倒入冷卻油或切削液做滲漏試驗(yàn)。3 個(gè)工作日后，經(jīng)檢查倒入防護(hù)裝置內(nèi)的油、液沒有滲漏出防護(hù)裝置外。

3.2 安裝測試

將防護(hù)裝置安裝在數(shù)控機(jī)床立柱上。通過設(shè)計(jì)簡單的夾緊塊，使防護(hù)裝置連接桿與機(jī)床立柱上的拖板一起運(yùn)動，從而帶動光柵尺運(yùn)動。以此來測試光柵尺的工作穩(wěn)定性，并且再次驗(yàn)證防護(hù)性能。通過在數(shù)控機(jī)床上半年多的使用，光柵工作正常，反應(yīng)時(shí)間無滯后，反應(yīng)數(shù)據(jù)精確。拆下防護(hù)裝置，將防護(hù)裝置整體打開檢測內(nèi)部情況，沒有發(fā)現(xiàn)有油污、鐵屑、灰塵等進(jìn)入防護(hù)裝置內(nèi)部，證實(shí)防護(hù)裝置防護(hù)性能好。

4 結(jié)論

工程中的實(shí)際應(yīng)用表明:此防護(hù)裝置可以充分起到對光柵尺的防護(hù)作用，防止冷卻油及鐵屑等對光柵造成的損害，并且該封閉式防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，制造費(fèi)用低廉，實(shí)用性強(qiáng)，有效解決了光柵尺的受污染問題，一定行程內(nèi)的直線光柵尺都可以使用，獲得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］劉莉．光柵應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀［J］．長沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5):23－27．

［2］司聚朝，段露彬．光柵尺在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用［J］．設(shè)備管理與維修，2012(6):40－41．

［3］鄭宇．光柵尺常見故障及處理實(shí)例［J］．設(shè)備管理與維修，2013(4):69．

［4］吳椿烽，冒麗蓉，鄭磊．光纖光柵傳感器的研究與應(yīng)用［J］．電子元器件應(yīng)用，2010(8):17－20．

［5］李川．光纖光柵原理、技術(shù)與傳感應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

［6］姜德生，何偉．光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況［J］．光電子－激光，2002(4):420－430．

［7］杜國山，陳真因．光柵測量系統(tǒng)的誤差研究［J］．電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2012(3):187－191．

［8］楊振群．光柵尺的安裝防護(hù)與應(yīng)用［J］．機(jī)械工人:冷加工，2006(10):58－59．