郭 烽趙維浩蘇 賓劉麗麗

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 遼寧沈陽(yáng) 2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司 遼寧沈陽(yáng)）

在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，為保證機(jī)床加工精度和速度的要求，檢測(cè)裝置作為核心部件扮演著重要角色。目前檢測(cè)元件主要有光柵尺，編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，測(cè)速發(fā)電機(jī)等。對(duì)于高精度的數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光柵尺是必不可少的檢測(cè)元件，由它來(lái)測(cè)定數(shù)控系統(tǒng)的位置和速度，發(fā)送反饋信號(hào)給CNC裝置，它直接影響著數(shù)控機(jī)床的加工精度。海德漢光柵尺在機(jī)加工設(shè)備中的應(yīng)用最為廣泛，且很具有代表性。

一、光柵尺構(gòu)成與工作原理

1.光柵尺構(gòu)成

德國(guó)HEIDENHAIN公司是世界著名的光柵生產(chǎn)廠家，其技術(shù)、品種、產(chǎn)量和市場(chǎng)占有率都居世界領(lǐng)先水平，目前絕大多數(shù)全閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床上均配套該公司的產(chǎn)品。

HEIDENHAIN公司生產(chǎn)的光柵檢測(cè)系統(tǒng)，由柵尺部分和EXE(脈沖放大、整形及細(xì)分)兩部分組成，如圖1所示。柵尺檢測(cè)機(jī)床位移并送出位移量和位移方向信號(hào)到EXE進(jìn)行放大、整形和電子細(xì)分，最后經(jīng)長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)送入CNC，形成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.光柵尺工作原理

圖1 光柵檢測(cè)系統(tǒng)

光柵尺位置測(cè)量系統(tǒng)由光源、透鏡、指示光柵、光電元件、信號(hào)處理電路以及標(biāo)尺光柵組成。通常情況下，除標(biāo)尺光柵外，光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和信號(hào)處理電路裝在一個(gè)部件內(nèi)，這個(gè)部件稱為讀數(shù)頭。光柵尺依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)產(chǎn)生光信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光電器件的轉(zhuǎn)換處理后，用來(lái)檢測(cè)機(jī)械裝置的位移，如圖2所示。輸出信號(hào)是由光源通過(guò)刻在直線尺或盤(pán)片的柵格線后，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置的處理產(chǎn)生的。讀數(shù)裝置由光源、刻線玻璃與柵格窗、以及光電二極管接收裝置組成。紅外線光束被光電二極管接收前，先通過(guò)有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)回產(chǎn)生正弦波形式的光波，這種光波經(jīng)光電二極管接收后，會(huì)轉(zhuǎn)換成最初始的電流正弦波信號(hào)，這些電信號(hào)的周期與柵距是一樣的。

圖2 光柵尺原理簡(jiǎn)圖

二、常見(jiàn)故障分析與處理

1.零件加工后超差

某數(shù)控機(jī)床在加工完成后，發(fā)現(xiàn)零件出現(xiàn)超差現(xiàn)象，且機(jī)床無(wú)任何報(bào)警。由于機(jī)床無(wú)任何報(bào)警，且機(jī)床采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，在排除機(jī)床機(jī)械故障的前提下，如出現(xiàn)超差只有可能是系統(tǒng)定位及位置檢測(cè)系統(tǒng)故障，即超差所在方向軸光柵尺故障。經(jīng)過(guò)分析后，初步判斷為機(jī)床位置環(huán)故障即電子光柵尺故障，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出定位指令，電機(jī)還沒(méi)有運(yùn)行到計(jì)算位置，然而系統(tǒng)位置由光柵尺決定，此時(shí)雖沒(méi)有到達(dá)預(yù)定位置，但光柵尺認(rèn)為此時(shí)已經(jīng)到達(dá)預(yù)定位置，導(dǎo)致零件出現(xiàn)超差。根據(jù)上述分析，此類故障通常都是由于光柵尺或讀數(shù)頭臟污造成的，拆開(kāi)所在軸護(hù)板，檢查光柵尺及讀數(shù)頭外觀，未發(fā)現(xiàn)異常，將光柵尺、讀數(shù)頭拆下后進(jìn)行清理，重新安裝后故障依然存在，這時(shí)判斷是光柵尺或讀數(shù)頭硬件故障，更換讀數(shù)頭后故障依然存在，最后更換光柵尺后故障排除。

2.工作臺(tái)移動(dòng)記錄返回到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)不能回零

在測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)程中丟數(shù)，即工作臺(tái)移動(dòng)全程記錄的數(shù)據(jù)變小，而返回到終點(diǎn)數(shù)據(jù)也不能減計(jì)數(shù)到零。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)分析，出現(xiàn)此故障的一個(gè)可能是信息處理電路的故障；另一個(gè)可能是讀數(shù)頭的故障。首先確定是讀數(shù)頭部分還是信息處理電路的故障。由于只是縱向工作臺(tái)移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)出錯(cuò)，其他方向測(cè)量數(shù)據(jù)正確，采用的方法是把縱向讀數(shù)頭的信號(hào)送到其他方向的信息處理電路，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)仍然是錯(cuò)誤的，由此可判斷故障在讀數(shù)頭。

把讀數(shù)頭的外殼打開(kāi)后，光源燈亮，工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)也能看到莫爾條紋在光敏元件上上下移動(dòng)，于是懷疑光敏元件損壞，通過(guò)示波器測(cè)得差動(dòng)放大器輸出信號(hào)波形幅值較低（＜2.5 V）。換上一個(gè)新的光敏元件后，故障依舊。之后發(fā)現(xiàn)透鏡松動(dòng)，則懷疑透鏡的焦距、焦點(diǎn)改變。透鏡支架上有調(diào)節(jié)透鏡角度的螺釘)，于是調(diào)節(jié)透鏡角度，同時(shí)移動(dòng)工作臺(tái)，觀察示波器波形，在改變透鏡角度的過(guò)程中，其波形的幅值也隨之改變，調(diào)節(jié)在一個(gè)最佳位置，使其波形幅值最大，此時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)也正確了。將透鏡緊固后，故障排除。由分析得知，由于透鏡的松動(dòng)，使焦點(diǎn)的位置改變，雖然能看到莫爾條紋移動(dòng)，但是光強(qiáng)的差別變小而使波形的幅值變小，從而使得記錄數(shù)據(jù)的過(guò)程中出現(xiàn)丟數(shù)故障。

3.直線軸在運(yùn)行中報(bào)警

某數(shù)控機(jī)床的直線軸在運(yùn)行中出現(xiàn)報(bào)警。由于振動(dòng)或其他原因，造成機(jī)床在使用中讀數(shù)頭與光柵刻度尺間距變大，數(shù)控系統(tǒng)誤認(rèn)為光柵尺已壞所致。

按光柵尺說(shuō)明書(shū)的要求調(diào)整讀數(shù)頭與光柵尺的距離。讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1～1.5 mm，最好不超過(guò)2 mm。光柵尺的安裝位置不合適，如安裝在油池附近，油氣等將光柵尺污染，這時(shí)要分別清潔光柵尺的定尺和動(dòng)尺，在安裝之后再進(jìn)行光柵尺的調(diào)試才可使用。讀數(shù)頭的位置安裝不合適，造成讀數(shù)頭損壞，更有甚者，光柵尺定尺內(nèi)出現(xiàn)鋁合金碎屑，光柵刻線出現(xiàn)損壞，造成光柵尺定尺的徹底報(bào)廢。

三、結(jié)束語(yǔ)

光柵尺是數(shù)控機(jī)床的主要部件，在保證機(jī)床高精度運(yùn)行過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，并且造價(jià)昂貴。因此，在對(duì)光柵尺進(jìn)行維修的過(guò)程中，一定要慎之又慎，避免在維修過(guò)程中對(duì)光柵造成二次損傷，給公司造成無(wú)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。