光柵尺的防護設計與研究

王亞峰，夏田

(陜西科技大學，陜西西安710021)

機械加工的自動化、對加工精度要求的日趨提高，推動了在線測量技術和精密自動計量技術的發展。與其他位移測量系統相比，光柵測量系統具有量程大、精度高、穩定性好、較強的信息傳輸功能和性能價格比，它廣泛應用于各種加工設備和計量儀中。在高精度的數控機床中，光柵常應用于數控機床的閉環伺服系統中，用作直線位移或角位移的檢測，檢測機床直線軸的實際位移是否和數控系統發出的指令相符，以提高機床的控制精度和加工精度。

在高精度的數控機床上，光柵已得到了廣泛的應用。光柵作為執行機構終端檢測元件，其精度直接影響數控機床的加工精度甚至機床的正常使用。因此，在工程實際中，必須做好光柵的防護措施，防止光柵暴露在惡劣的切削環境下，造成光柵的污染或報廢，影響光柵的使用壽命。

1 光柵工作要求與環境分析

數控機床大多采用油冷卻，在機床切削過程中，冷卻油的噴濺會在機床罩殼內形成油氣。傳統光柵為開放式安裝，這些油氣、冷卻液及鐵屑會通過光柵尺身與讀數頭的滑行間隙進入光柵內部，破壞光柵線條紋分布，造成光柵的污染。光柵被污染后會引起測量誤差、直線軸在回參考點中找不到零脈沖、直線軸在運行過程中報警，甚至出現直線軸暴走的現象，嚴重時會直接導致光柵報廢。因此，對處于封閉式機床內部的光柵進行防護，避免光柵暴露在切削液、冷卻油的環境中，以延長光柵的使用壽命。

2 設計思路與防護結構

2.1 設計思路

將光柵置于一個封閉的防護裝置內，將其與冷卻油、鐵屑、灰塵隔絕，使其在完全獨立的空間工作，保證光柵的檢測精度和工作效率。光柵防護裝置結構如圖1 所示(拆去頂蓋)。其工作原理為:直線光柵尺安裝于防護裝置底座內，拉動連接桿將會通過塞子帶動連接塊運動，連接塊的運動將帶動滑塊與光柵讀數頭一起運動，通過導軌的導向，使讀數頭的運動平穩、準確，實現光柵尺身與讀數頭的相對運動，完成檢測功能。

圖1 光柵防護裝置結構圖

2.2 讀數頭導向與出線設計

光柵讀數頭的導向通過直線導軌來實現。拉動連接桿將會通過塞子帶動連接塊運動，連接塊的運動將帶動滑塊與光柵讀數頭一起運動，通過導軌的導向，使讀數頭的運動平穩、準確。同時，光柵讀數頭的伸出線通過預留在連接桿與限位套上的豁口進入連接桿后伸出防護裝置外。連接桿與限位套結構如圖2 所示，都采用無縫鋼管。限位套一方面可以增強連接桿進線缺口處的剛性，另一方面還能起到光柵尺右端的機械限位作用。光柵尺左端的機械限位由限位螺母來實現。

圖2 限位套、連接桿結構

2.3 光柵安裝精度保證

底座結構如圖3 所示。

圖3 底座結構圖

底座采用鑄件。光柵尺身的兩個安裝凸臺與導軌的安裝面加工至平行度0.01 mm，需要滿足光柵安裝后，讀數頭上表面與滑塊上表面在同一高度上。底座右側(或左側)加工一條校正帶，此校正帶既作為防護裝置內安裝導軌時的測量基準，也作為防護裝置整體安裝于機床上時的測量基準，保證安裝精度。

3 防護性能測試

3.1 滲漏試驗

向防護裝置(注:裝配時在底座與左端蓋、右端蓋、頂蓋間加δ =1 mm 的紙鉑或橡膠墊圈)內倒入冷卻油或切削液做滲漏試驗。3 個工作日后，經檢查倒入防護裝置內的油、液沒有滲漏出防護裝置外。

3.2 安裝測試

將防護裝置安裝在數控機床立柱上。通過設計簡單的夾緊塊，使防護裝置連接桿與機床立柱上的拖板一起運動，從而帶動光柵尺運動。以此來測試光柵尺的工作穩定性，并且再次驗證防護性能。通過在數控機床上半年多的使用，光柵工作正常，反應時間無滯后，反應數據精確。拆下防護裝置，將防護裝置整體打開檢測內部情況，沒有發現有油污、鐵屑、灰塵等進入防護裝置內部，證實防護裝置防護性能好。

4 結論

工程中的實際應用表明:此防護裝置可以充分起到對光柵尺的防護作用，防止冷卻油及鐵屑等對光柵造成的損害，并且該封閉式防護裝置結構緊湊，占用空間小，制造費用低廉，實用性強，有效解決了光柵尺的受污染問題，一定行程內的直線光柵尺都可以使用，獲得了不錯的經濟效益。

［1］劉莉．光柵應用發展現狀［J］．長沙大學學報，2009(5):23－27．

［2］司聚朝，段露彬．光柵尺在數控機床中的應用［J］．設備管理與維修，2012(6):40－41．

［3］鄭宇．光柵尺常見故障及處理實例［J］．設備管理與維修，2013(4):69．

［4］吳椿烽，冒麗蓉，鄭磊．光纖光柵傳感器的研究與應用［J］．電子元器件應用，2010(8):17－20．

［5］李川．光纖光柵原理、技術與傳感應用［M］．北京:科學出版社，2005．

［6］姜德生，何偉．光纖光柵傳感器的應用概況［J］．光電子－激光，2002(4):420－430．

［7］杜國山，陳真因．光柵測量系統的誤差研究［J］．電子測量與儀器學報，2012(3):187－191．

［8］楊振群．光柵尺的安裝防護與應用［J］．機械工人:冷加工，2006(10):58－59．