數控機床中光柵測量裝置的應用

　　數控機床中光柵測量裝置的應用

　　摘要：隨著我國數控機床的不斷發展和壯大，我國的機床逐漸走向了高端、精細化行業，所以生產過程中的測量問題成了至關重要的一步，文章針對當前測量裝置的現有技術，分布探討了機床中的光柵測量的裝置，重點對測量裝置的應用和測量裝置的維護兩個方面做了比較詳細的分析和研究。

　　關鍵詞：測量儀光柵裝置應用分析

　　測量機屬于精密儀器，選擇安裝地點時，要考慮機器類型、外型尺寸、機器重量、結構形式、周圍環境，如振動情況、溫度條件、適合的吊裝，輔助設備如：合適的氣源、電源的安排等。

　　安裝測量機最合適的地方是溫度、濕度和振動等都可以被穩定控制的房間，一般不適于有陽光的直射方向，最好朝向為北向或沒有窗戶，因為陽光對于室內的溫度有影響，不利于溫度的控制，本文重點對數控機床中的光柵測量的裝置問題進行了探討和研究。

　　1、數控機床中測量裝置的技術分析

　　當前最為先進的測量技術都是采用材料累加原理，以光敏樹脂為原材料，導入三維圖利用Magics軟件進行編程數據處理，能在很短的時間內直接制造產品樣品，無須傳統的機械加工機床和模具。

　　設計者可以把快速成型出來的實體手板樣件對設計方案進行評定，對產品功能進行驗證，經過模擬試驗進行生產可行性評估，根據用戶對設計方案的反饋信息，對設計方案再進行修改和再驗證，這樣可以得到工作性能和經濟性能優良的設計方案，既節省了設計費用，又縮短了產品研制周期。

　　它的最大的特點是制作過程和制作成本不受樣件本身的復雜程度影響，真正實現了想得到，做得到。

　　光柵快速成型機的具有成型速度快、精度高和表面質量好等特點。

　　目前由上海滬量測量公司研發的RS系列SLA激光快速成型機通過了高新技術成果論定，是國內快速成型制造設備的典型代表之一。

　　RS系列激光快速成型設備采用國際上最先進的激光快速成型工藝Stereo Lithography(SL)。

　　SL工藝是機械、激光、光化學、軟件、控制技術的結晶,它是基于光敏樹脂受紫外光照射凝固的原理,計算機控制激光逐層掃描固化的截面是由零件的三維CAD模型軟件分層得到，直至最后得到光敏樹脂實物原型。

　　目前快速成型技術已經在汽車、航空、航天、電子、家電、工業設計以及高等教育等國民經濟的主戰場得到廣泛應用。

　　公司研發生產的SLA激光快速成型機已出口多個國家和地區，產生了顯著的社會效益，應用前景十分廣闊。

　　2、光柵測量裝置的應用

　　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動，產生與之同步移動的莫爾條紋信號，然后通過讀數頭與后續電路，將導軌、工作臺的位置等信號轉變成信號讀出來，其讀數分辨率可達5nm。

　　當兩塊相同的長光柵跌合，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，會產生光強度周期性變化，此光信號經光電池轉換成為周期性的電信號，對電信號進行分析處理，就可獲得光柵相對移動的位移量。

　　2.2光柵尺工作原理

　　光柵由光源、主光柵、指示光柵及光電元件所組成。

　　其中計量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現象來測量位移，這種方法具有測量精度高，對測量時的相對約束小等優點;在測量過程中，要將光源放置在主光柵的側面，光電元件放置在指示光柵的側面，當主光柵與指示光柵發生相對位移時，由于光源的照射造成兩光柵尺的線紋相交，從容產生了明暗相間的莫爾條紋。

　　光柵傳感器會產生近似正弦函數的曲線，指示光柵的光元件將這種放大信號進行整合，輸入脈沖信號，最終形成了兩路相角相差90°的脈沖方波，從而進行測量位移的大小和方向。

　　2.3光柵莫爾條紋的辨向

　　光柵信號的辨向是實現光柵動態測量的關鍵步驟，因為莫爾條紋的光強度近似呈正弦曲線變化，所以光電元件所感應的光電流也會成為近似正弦曲線的規律變化;對于這種信號，經過放大、整合后會形成脈沖，最終轉換成數字信息輸出，可以根據脈沖的個數確定位移量。

　　在測量中，可以利用計數器的脈沖數的增加和減少來辨別莫爾條紋的移動方向，如果輸入可逆計數器的脈沖數累加，則莫爾條紋向正向移動，如果輸入可逆計數器的脈沖數減少，則莫爾條紋反向移動。

　　因此，在光柵的動態測量時，一定要掌握光柵條紋的辨向。

　　3、光柵測量裝置的維護

　　3.1 Z軸檢測信號丟失

　　在數控機床工作過程中，由于設備磨損，導致零件間隙過大，或者零件損壞，都會產生機器故障，因此在數控機床工作期間要做好光柵測量裝置的維護工作，及時在設備運行中發現問題。

　　當光柵測量裝置使用時間過長，可能會出現零件老化等問題，出現信號丟失，沒有將這些數據讀入設備，最終導致測量出現錯誤，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。

　　在機床工作的過程中，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志時，產生，用來確認機床的基準點。

　　兩組正弦波增量信號經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生多個脈沖，即所謂的倍頻處理。

　　增量信號經倍頻細分后，經輸出板處理成為矩形信號串，送入數控系統測量板。

　　而光柵尺柵距為100μm，增量信號經過處理后，每一刻繪產生1μm，這就是機床的分辨率。

　　3.2加工時出現周期性波紋

　　當機床加工過程中出現了表面出現周期性波紋的情況，觀察機床，會看到X軸電機在低速運轉時出現周期性擺動，這是就需要檢查機械和液壓系統是否存在問題，若這些部位正常工作，則故障可能出現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;造成電機低速運轉，且不穩定的原因主要是測量裝置輸出的信號不穩定，而造成測量值失誤，計算機因而送出的指令電壓就不穩定，當更換一個新的掃描單元后，機床就會恢復正常工作。

　　4、結語

　　雖然光柵測量裝置能達到較高的測量精度，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，才能在實際應用中發揮出它的優勢地位，提高機床的加工精度，有效的進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。

　　參考文獻

　　[1]孫亮.精密工作臺光柵定位測量與控制系統的設計[J],測試技術,2011.

　　[2]劉煥牢.數控機床幾何誤差和誤差補償關鍵技術[J],機械工程師,2010.

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