光柵測量裝置在數(shù)控機床中的應用

李 松，魏明亮

沈陽機床成套設備有限責任公司，遼寧沈陽 110142

伴隨當今技術手段的逐漸提高，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鍵措施是明確機床出現(xiàn)的定位誤差以及利用相應的補償方法對定位誤差給予合理的補償[1]。應用雙頻激光測量法以及光柵測量技術兩種方法對機床的精度以位移進行精確的測量。前者的精度較后者優(yōu)越，但要有嚴格的應用條件，操作繁瑣[2]。相對前者而言，后者的應用范圍較廣，可靠性較高，結構不復雜，花費少，有較強的抗干擾性，應用較廣。

針對誤差的較好糾正可以利用電子學細分以及數(shù)字化處理的方法進行，這樣的方法能夠增加系統(tǒng)的準確率[3]，同時應用光柵對數(shù)控機床進行精度的檢測，利用數(shù)字脈沖的形式把數(shù)據(jù)上傳至CNC裝置，進而達到閉環(huán)操控；光柵技術也隨著激光的提高而升級，使精度達到微米級的程度，較廣的應用于機密機械儀器、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)控機床精度的相關元素諸多，必須要對誤差的原因進行合理的分析，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 光柵測量裝置的應用

2.1 基本結構

應用光柵進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記形成，位于數(shù)控機床的導軌附近，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成，往往利用工作臺應用燈絲或硅光電此進行操作。

2.2 測量原理

應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)電路轉換相應的信號，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)不同強度的轉變，進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成的光柵的工作機理如下。通過應用莫爾條紋現(xiàn)象來對位移進行衡量的方法來計量光柵，該方式能夠高效的測量能力，同時相應的條件較寬松；具體工作的過程中，要把光源置于側方，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為脈沖方波，最終對位移給予相應的測量。

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的脈沖，最后一數(shù)字的形式進行輸出，可以利用脈沖的個數(shù)對位移量進行確認。

3 光櫥測量裝置的維護

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，對光柵測量裝置進行嚴格的維護才能保證數(shù)控機床順利的工作[6]。如果出現(xiàn)光柵設備的應用超過一定的年限，就會難以維持測量的準確性。

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)的不準確，進而影響輸出的電壓的穩(wěn)定性，這時可以通過對單元進行更新，變可以使數(shù)控機床有效的運行[7]。

4 結論

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用，這樣方能在現(xiàn)實的運行中體現(xiàn)該裝置的優(yōu)點，進一步增加數(shù)控機床的精度，高效的、及時的對誤差進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。

[1]玉剛.數(shù)控技術機械工業(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)的設計測試技術，2007.

[3]劉煥牢.數(shù)控機床幾何誤差和誤差補償關鍵技術機械工程師，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]國家自然科學基金委員會工程與材料科學部.學科發(fā)展戰(zhàn)略研究報告（2006年-2010年）——機械與制造科學.北京：科學出版社，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).