絕對(duì)式光柵尺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 帆

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

隨著我國(guó)加工制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越廣，對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度與重復(fù)定位精度的要求也越來越高，傳統(tǒng)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)也越來越難滿足用戶的使用需求。基于半閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床具有明顯的缺點(diǎn): 無法控制機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生熱變形誤差，以及加工過程中因傳動(dòng)系統(tǒng)磨損而產(chǎn)生的誤差，而這些誤差已經(jīng)嚴(yán)重影響到數(shù)控機(jī)床的加工精度及其穩(wěn)定性。直線光柵尺對(duì)數(shù)控機(jī)床各線性坐標(biāo)軸進(jìn)行全閉環(huán)控制，消除上述誤差，提高機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度以及精度可靠性，作為提高數(shù)控機(jī)床位置精度的關(guān)鍵部件正日益受到用戶的青睞[1]。

直線光柵尺分為增量式光柵尺與絕對(duì)式光柵尺，安裝絕對(duì)式光柵尺的數(shù)控機(jī)床在機(jī)床重新開機(jī)后無需執(zhí)行參考點(diǎn)回零操作，就立刻重新獲得各個(gè)軸的當(dāng)前絕對(duì)位置值，可以馬上從中斷處開始繼續(xù)原來的加工程序，大大地提高數(shù)控機(jī)床的有效加工時(shí)間。在全閉環(huán)的高檔數(shù)控系統(tǒng)中已經(jīng)普遍使用絕對(duì)式光柵尺和絕對(duì)式光柵編碼器，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家采用絕對(duì)式光柵位移傳感器的占數(shù)控機(jī)床的80%，目前國(guó)內(nèi)的全閉環(huán)高檔數(shù)控機(jī)床中采用絕對(duì)式光柵傳感器的也接近30%[2]。

國(guó)際上生產(chǎn)絕對(duì)式光柵尺的廠家有德國(guó)的HEIDENHAIN（海德漢）、西班牙的FAGOR（發(fā)格）、日本的MITUTOYO（三豐）、英國(guó)的RENISHAW（雷尼紹）。相比之下，國(guó)內(nèi)目前沒有絕對(duì)式光柵尺的產(chǎn)品，但是已經(jīng)有部分研究所、高校以及企業(yè)先后開展了絕對(duì)式光柵尺的研制工作，其中中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的研究工作最為突出，其研制出的JC09 型絕對(duì)式光柵尺樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了與華中數(shù)控HNC-818B 世紀(jì)星加工中心數(shù)控裝置對(duì)接，并應(yīng)用在長(zhǎng)二機(jī)床廠的XH714 立式加工中心上[3]。本文將對(duì)絕對(duì)式光柵尺的工作原理以及絕對(duì)式光柵尺的機(jī)械結(jié)構(gòu)做相關(guān)的研究。

1 絕對(duì)式光柵尺的工作原理

圖1 絕對(duì)式光柵尺原理圖Fig.1 The schematic diagram of absolute linear encoder

絕對(duì)式光柵尺的工作原理如圖1 所示，LED 光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡后形成平行光，經(jīng)主光柵與指示光柵后照射到ASIC 光電器件上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并通過信號(hào)處理器計(jì)算出位置值，最后通過通訊接口將位置值輸出到后續(xù)設(shè)備上。其中主光柵由兩條碼道組成，一條碼道為絕對(duì)碼道，即下方不規(guī)則的碼道，通過該碼道可以實(shí)時(shí)讀取絕對(duì)式光柵尺的絕對(duì)位 置；另 外一條碼道為增量碼道，即上方周期為20μm 的規(guī)則 碼 道，通過該碼道可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高細(xì)分，提高光柵尺的分辨力。圖2 為主光柵的實(shí)物圖，上方為增量碼道，下方為絕對(duì)碼道。指示光柵由兩部分組成，一部分為增量窗口，由增量碼道組成；一部分為透明窗口。ASIC器件也分為兩部分，上面接收增量信號(hào)，下方接收絕對(duì)信號(hào)。

圖2 主光柵實(shí)物圖Fig.2 The picture of the main grating

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖3 為絕對(duì)式光柵尺原理樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖，圖4 為絕對(duì)式光柵尺原理樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，從圖中我們可以看到，光柵尺主要由尺殼、主光柵、密封條和讀數(shù)頭這幾部分組成，其中讀數(shù)頭包括照明機(jī)構(gòu)、指示光柵滑架、指示光柵、滑架體與滑架體蓋，讀數(shù)頭實(shí)物圖如圖5 所示。

絕對(duì)式光柵尺整體采用封閉式結(jié)構(gòu)，鋁制尺殼保護(hù)主光柵、讀數(shù)頭免受灰塵、切屑和切削液的影響，密封條保持尺殼的密封，同時(shí)在滑架體與滑架體蓋間也要加入密封橡膠，防止切削液的滲入。尺殼在制作時(shí)采用的是拉制型材的方法，除了滿足讀數(shù)頭和主光柵的安裝空間外，盡量做到外形足夠小，型材拉制出來后變形較小，可以滿足使用需求。主光柵粘接在尺殼上，指示光柵粘接在指示光柵滑架上，ASIC 光電器件粘接在指示光柵上，后續(xù)處理電路固定在滑架體與滑架體蓋中。指示光柵滑架與主光柵間采用五軸承滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過五個(gè)軸承在主光柵上的滾動(dòng)，保持其長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，為了保證讀數(shù)頭在運(yùn)行過程中指示光柵滑架與主光柵不發(fā)生離位，在這里采用六彈簧的定位機(jī)構(gòu)，分別為兩個(gè)拉伸彈簧、兩個(gè)壓縮彈簧、兩個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，壓縮彈簧的作用是通過施加壓力將指示光柵滑架下方的三個(gè)軸承壓緊在主光柵上，扭轉(zhuǎn)彈簧的作用是將側(cè)方的兩個(gè)軸承壓緊在主光柵上，拉伸彈簧保證指示光柵滑架在縱向上的受力，六個(gè)彈簧使得光柵尺的讀數(shù)頭具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。

圖3 絕對(duì)式光柵尺原理樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The overall structure diagram of the prototype of absolute linear encoder

圖4 絕對(duì)式光柵尺原理樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.4 The side view of the internal structure of the absolute linear encoder's prototype

圖5 絕對(duì)式光柵尺讀數(shù)頭實(shí)物圖Fig.5 The picture of the reading head of absolute linear encoder

在機(jī)床上使用光柵尺時(shí)，光柵尺的安裝分為兩種，一種是將尺殼固定在機(jī)床的靜止部件上，將讀數(shù)頭固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上；另外一種是將尺殼固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上，將讀數(shù)頭固定在機(jī)床的靜止部件上，一般選擇第二種安裝方式，因?yàn)樽x數(shù)頭上連接有電纜線，當(dāng)讀數(shù)頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，電纜線也要隨之運(yùn)動(dòng)，對(duì)排線會(huì)有一定的要求，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)機(jī)床實(shí)際使用環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式。當(dāng)尺殼與讀數(shù)頭發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，尺殼中的主光柵與讀數(shù)頭上的指示光柵也發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行位置測(cè)量。

3 結(jié)束語

隨著我國(guó)加工制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，絕對(duì)式光柵尺的需求量會(huì)越來越大，每個(gè)高檔數(shù)控機(jī)床都需配備三個(gè)軸的絕對(duì)式光柵尺，不容小覷。擺脫國(guó)外產(chǎn)品壟斷，加快自主研發(fā)是當(dāng)前的首要任務(wù)，目前中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研發(fā)的絕對(duì)式光柵尺已小批量應(yīng)用到國(guó)內(nèi)的一些數(shù)控機(jī)床廠家，正逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，同時(shí)，我們也自主研發(fā)了絕對(duì)式光柵尺母尺刻劃曝光系統(tǒng)[4]及絕對(duì)式光柵尺母光柵刻劃裝置[5]。希望在不久的將來，我們國(guó)家生產(chǎn)的高檔數(shù)控機(jī)床上都能配備有我們自己的絕對(duì)式光柵尺。

[1] 吳宏圣.應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的絕對(duì)式光柵尺[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2012，5.

[2] 盧國(guó)綱. 絕對(duì)式光柵尺和編碼器是當(dāng)代位移傳感器發(fā)展主流-CIMT2011 精密位移傳感器評(píng)述[J]. 世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2011，8.

[3] 孫強(qiáng).高精度絕對(duì)式光柵尺研究進(jìn)展及技術(shù)難點(diǎn)[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2012，5.

[4] 劉華，盧振武，等.絕對(duì)式光柵尺母尺刻劃曝光系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程，2014，7.

[5] 鄭黎明，譚向全.絕對(duì)式光柵尺母光柵刻劃裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，5.