摘要：光柵信號的辨向是實(shí)現(xiàn)光柵動態(tài)測量的關(guān)鍵步驟，因?yàn)槟獱枟l紋的光強(qiáng)度近似呈正弦曲線變化，所以光電元件所感應(yīng)的光電流也會成為近似正弦曲線的規(guī)律變化；對于這種信號，經(jīng)過放大、整合后會形成脈沖，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息輸出，可以根據(jù)脈沖的個數(shù)確定位移量。

關(guān)鍵詞：光柵；精度；誤差；數(shù)控機(jī)床；

采用電子學(xué)細(xì)分和數(shù)字化處理的方法對測量傳感器進(jìn)行電子細(xì)分和誤差修正，以提高測量系統(tǒng)的分辨率和系統(tǒng)準(zhǔn)確度已成為可能，在高精度的數(shù)控機(jī)床上，使用光柵作為位置檢測裝置，可以將機(jī)械位置通過光轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，將這種信息在傳遞給CNC裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；由于激光技術(shù)的不斷發(fā)展，光柵制作精度得到了很大的提高，光柵精度可以達(dá)到微米級，廣泛的用于航空航天、機(jī)密機(jī)械儀器、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。本文就從數(shù)控機(jī)床這一角度對這種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1數(shù)控機(jī)床誤差分析

數(shù)控機(jī)床主要由工作臺、導(dǎo)軌及傳動機(jī)構(gòu)所組成，在數(shù)控機(jī)床的制造和組裝時會產(chǎn)生一些誤差，如工作臺的位置誤差，導(dǎo)軌尺寸誤差等，這種準(zhǔn)靜態(tài)誤差的最終表現(xiàn)是加工零件的誤差增大，甚至生產(chǎn)的產(chǎn)品全部不合格。在數(shù)控機(jī)床組裝設(shè)計(jì)時，應(yīng)該分析其受力，假定他們是做剛體運(yùn)動，檢查導(dǎo)軌及傳動裝置的誤差，對于工作臺沿某一方向的運(yùn)動而言，就在該方向上產(chǎn)生誤差，這些都是機(jī)床的原始誤差，屬于幾何誤差。對于數(shù)控機(jī)床，影響其精度的因素有很多，因此要提高機(jī)床加工精度時，首先要分析誤差來源，對癥下藥。一般根據(jù)數(shù)控機(jī)床加工精度的影響效果，可以將數(shù)控機(jī)床的加工精度誤差分為以下幾類：機(jī)床的幾何誤差、控制系統(tǒng)的誤差、熱變形產(chǎn)生的誤差、切削力變形產(chǎn)生的誤差和其他誤差。對于上述誤差，在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時，所占比重是不一樣的，一般幾何誤差和熱變形誤差對產(chǎn)品的誤差較大。

2光柵測量裝置的應(yīng)用

2.1測量原理

光柵測量是利用光的衍射原理，通過疊放的光柵的相對運(yùn)動，產(chǎn)生與之同步移動的莫爾條紋信號，然后通過讀數(shù)頭與后續(xù)電路，將導(dǎo)軌、工作臺的位置等信號轉(zhuǎn)變成信號讀出來，其讀數(shù)分辨率可達(dá)5nm。當(dāng)兩塊相同的長光柵疊合，如果柵線的夾角很小時，莫爾條紋的方向與光柵條紋方向近似垂直。光柵盤上黑白刻線的相對移動，會產(chǎn)生光強(qiáng)度周期性變化，此光信號經(jīng)光電池轉(zhuǎn)換成為周期性的電信號，對電信號進(jìn)行分析處理，就可獲得光柵相對移動的位移量。光柵由光源、主光柵、指示光柵及光電元件所組成。其中計(jì)量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移，這種方法具有測量精度高，對測量時的相對約束小等優(yōu)點(diǎn)；在測量過程中，要將光源放置在主光柵的側(cè)面，光電元件放置在指示光柵的側(cè)面，當(dāng)主光柵與指示光柵發(fā)生相對位移時，由于光源的照射造成兩光柵尺的線紋相交，從容產(chǎn)生了明暗相間的莫爾條紋。光柵傳感器會產(chǎn)生近似正弦函數(shù)的曲線，指示光柵的光元件將這種放大信號進(jìn)行整合，輸入脈沖信號，最終形成了兩路相角相差90°的脈沖方波，從而進(jìn)行測量位移的大小和方向。

2.2光柵莫爾條紋的辨向

光柵信號的辨向是實(shí)現(xiàn)光柵動態(tài)測量的關(guān)鍵步驟，因?yàn)槟獱枟l紋的光強(qiáng)度近似呈正弦曲線變化，所以光電元件所感應(yīng)的光電流也會成為近似正弦曲線的規(guī)律變化；對于這種信號，經(jīng)過放大、整合后會形成脈沖，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息輸出，可以根據(jù)脈沖的個數(shù)確定位移量。在測量中，可以利用計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)的增加和減少來辨別莫爾條紋的移動方向，如果輸入可逆計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)累加，則莫爾條紋向正向移動，如果輸入可逆計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)減少，則莫爾條紋反向移動。因此，在光柵的動態(tài)測量時，一定要掌握光柵條紋的辨向。

2.3測量軌跡

光柵測量法結(jié)合了球桿儀測量的優(yōu)點(diǎn)，同時具有非常靈活的測量軌跡，在測量過程中，可以相對機(jī)床的主軸做圓形運(yùn)動、直線運(yùn)動，還可以做不規(guī)則復(fù)雜的平面運(yùn)動；因?yàn)樵跍y量過程中，測量軌跡可以反映機(jī)械構(gòu)造所造成的運(yùn)動誤差，同時還可以反映由于CNC伺服控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差。因此，在設(shè)計(jì)測量軌跡時，要多選用圓、圓弧、直線等圖形，將這些圖形進(jìn)行必要的組合，可以得到理想的效果。

3光柵測量裝置的維護(hù)

3.1Z軸檢測信號丟失

在數(shù)控機(jī)床工作過程中，由于設(shè)備磨損，導(dǎo)致零件間隙過大，或者零件損壞，都會產(chǎn)生機(jī)器故障，因此在數(shù)控機(jī)床工作期間要做好光柵測量裝置的維護(hù)工作，及時在設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)光柵測量裝置使用時間過長，可能會出現(xiàn)零件老化等問題，出現(xiàn)信號丟失，沒有將這些數(shù)據(jù)讀入設(shè)備，最終導(dǎo)致測量出現(xiàn)錯誤，為了保證測量過程中信號不會丟失，就要做好光柵測量裝置的維護(hù)。在機(jī)床工作的過程中，從掃描單元輸出三組信號，其中兩組增量信號由四個光電池產(chǎn)生，把兩個相差180°的光電池連接在一起，他們的推挽就會形成兩組近似正弦波，相位相差90°的信號串；另外一組基準(zhǔn)信號也由兩個相差180°的光電池接成推挽式，輸出一個尖峰信號，這個信號智慧在晉國標(biāo)志時，產(chǎn)生，用來確認(rèn)機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。兩組正弦波增量信號經(jīng)過放大整形后成為三角波信號串，這些信號分頻后會在一個信號周期中產(chǎn)生多個脈沖，即所謂的倍頻處理。增量信號經(jīng)倍頻細(xì)分后，經(jīng)輸出板處理成為矩形信號串，送入數(shù)控系統(tǒng)測量板。而光柵尺柵距為100μm，增量信號經(jīng)過處理后，每一刻繪產(chǎn)生1μm，這就是機(jī)床的分辨率。

3.2加工時出現(xiàn)周期性波紋

當(dāng)機(jī)床加工過程中出現(xiàn)了表面出現(xiàn)周期性波紋的情況，觀察機(jī)床，會看到X軸電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時出現(xiàn)周期性擺動，這是就需要檢查機(jī)械和液壓系統(tǒng)是否存在問題，若這些部位正常工作，則故障可能出現(xiàn)X軸測量裝置，可以用雙路示波器觀察掃描單元送出的兩路正弦信號；造成電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，且不穩(wěn)定的原因主要是測量裝置輸出的信號不穩(wěn)定，而造成測量值失誤，計(jì)算機(jī)因而送出的指令電壓就不穩(wěn)定，當(dāng)更換一個新的掃描單元后，機(jī)床就會恢復(fù)正常工作。

4結(jié)語

雖然光柵測量裝置能達(dá)到較高的測量精度，但對操作者的要求也較高。操作者必須了解光柵測量裝置的工作原理，熟練掌握其使用功能，才能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出它的優(yōu)勢地位，提高機(jī)床的加工精度，有效的進(jìn)行誤差檢測并將誤差控制到最小，以滿足用戶對加工精度的具體要求。