光柵尺的設(shè)計(jì)及加工工藝的參考.doc

摘 要隨著數(shù)控機(jī)床在機(jī)床制造領(lǐng)域的普及，現(xiàn)代機(jī)床在加工速度、加工精度和可靠性方面都有了很大的提高。機(jī)床用光柵測(cè)量元件和數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的兩大核心部件，清楚地了解他們的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)機(jī)床制造商和最終用戶都有非常重要的意義。本文依據(jù)對(duì)海德漢光柵尺拆解后測(cè)繪的尺寸，利用solidworks2009對(duì)其進(jìn)行了實(shí)體建模，并對(duì)光柵尺加工及安裝工藝進(jìn)行了研究和探討。同時(shí)，本文闡述了光柵尺的概況，分類及工作原理，介紹了典型的海德漢光柵尺及海德漢公司的發(fā)展，提出了能提高光柵尺的測(cè)量精度的方法。第1章 緒 論1.1引言在經(jīng)濟(jì)危機(jī)席卷全球的形式下，中國(guó)光柵尺制造商面臨產(chǎn)品升級(jí)，尋求新發(fā)展的重要時(shí)期，制造出高性能光柵尺是光柵尺制造商共同的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)與很多因素都相關(guān)，本文僅從高性能機(jī)床所需的兩個(gè)關(guān)鍵部件人手，介紹其最新發(fā)展供大家參考。結(jié)合HEIDENHAIN公司的在測(cè)量技術(shù)方面的深人研究，著重強(qiáng)調(diào)了光柵尺精度和測(cè)量技術(shù)的最新發(fā)展，包括:(1)單場(chǎng)掃描技術(shù)；(2) 光柵測(cè)量技術(shù)；(3)光柵尺位移傳感器的概念及工作原理； (4 )光柵尺的加工工藝等。結(jié)合 HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)，介紹了適合于高性能數(shù)控機(jī)床的最新數(shù)控技術(shù)，包括(1)高速加工;(2)五軸加工;(3)智能化;(4)友好人機(jī)界面。1.2光柵測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及水平光柵數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)是數(shù)顯機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和測(cè)量機(jī)的重要組成部分，是由光柵傳感器和光柵倍頻器(插補(bǔ)和數(shù)字化電子裝置)組成。光柵傳感器是作為位移測(cè)量元件，光柵倍頻器是對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行電子細(xì)分和數(shù)字化處理。光柵編碼器是利用刻劃在各種各樣載體(如玻璃、玻璃陶瓷、固態(tài)鋼或鋼帶)上的光柵作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)光電掃描進(jìn)行分度，編碼器的精度和溫度特性可以通過(guò)刻劃和選擇載體來(lái)優(yōu)化。光柵編碼器又分為直線編碼器(光柵尺)和圓編碼器，而圓編碼器又分為旋轉(zhuǎn)編碼器(作為旋轉(zhuǎn)軸的反饋部件)和角度編碼器(作為轉(zhuǎn)臺(tái)的角度測(cè)量部件)。對(duì)于編碼器的結(jié)構(gòu)又分為開啟式的和封閉式的。它是以測(cè)量各個(gè)坐標(biāo)的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的數(shù)顯和數(shù)控，因此測(cè)量系統(tǒng)的精度就決定了設(shè)備的精度。目前光柵數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的精度已有微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)三個(gè)檔次。光柵測(cè)量系統(tǒng)的長(zhǎng)處是性能穩(wěn)定、可靠性好、精度高、測(cè)量范圍大、使用方便、價(jià)格適中，和其他測(cè)量系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)上光柵測(cè)量系統(tǒng)要占到80%以上。目前光柵測(cè)量系統(tǒng)的側(cè)量步距已達(dá)1nm(0.001m)，準(zhǔn)備度到達(dá)0.5m，測(cè)量長(zhǎng)度已達(dá)30m最大移動(dòng)速度已達(dá)480/min，最大加速度已達(dá)250m/s2，最大傳輸距離達(dá)150m。目前全世界能制造光柵測(cè)量系統(tǒng)的國(guó)家除我國(guó)外還有德國(guó)、日本、美國(guó)、英國(guó)、西班牙、奧地利、意大利、俄國(guó)、韓國(guó)和印度等，估計(jì)年產(chǎn)量超過(guò)70萬(wàn)坐標(biāo)，其中以德國(guó)海德漢公司為最著名，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)其技術(shù)、品種、產(chǎn)量都絕對(duì)領(lǐng)先于其他國(guó)家。其各個(gè)品種的增長(zhǎng)率分別為:開啟式光柵尺+30%，封閉式光柵尺-3%，旋轉(zhuǎn)編碼器+5%，角度編碼器-4%，長(zhǎng)度規(guī)-3%,數(shù)顯表DRO -18%，數(shù)控裝置TNC+4%，因此本文所列舉的數(shù)據(jù)均參照HEIDENHAIN產(chǎn)品。1.3 課題來(lái)源及研究意義1.3.1課題來(lái)源20世紀(jì)50年代是數(shù)控機(jī)床的起步階段。當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的機(jī)床越來(lái)越難以滿足加工業(yè)的雙高需求高精度和高效率。因此對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床的改進(jìn)顯得尤其重要。近幾十年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家先后在研制性能優(yōu)良的數(shù)控機(jī)床上投入了大量的人力和物力。數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的測(cè)量系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件。尤其是機(jī)床的測(cè)量系統(tǒng)，它是保證機(jī)床高精度的前提條件。斷演變和發(fā)展的過(guò)程。近年來(lái)光柵測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的使用占具主要的地位。光柵測(cè)量系統(tǒng)的分辨率高達(dá)納米級(jí)，測(cè)量速度高達(dá)480m/min,測(cè)量長(zhǎng)度高達(dá)百米以上。由于這些無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，高精度、高切削速度的數(shù)控機(jī)床無(wú)疑要采用光柵測(cè)量系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代德國(guó)HEIDENHAIN公司的Johannes Heidenhain博士發(fā)明了DIADUR工藝在玻璃機(jī)體上鍍鉻的光刻復(fù)制工藝。該工藝后來(lái)用于光柵尺的制造上。在以后的幾十年里，光柵尺的制造技術(shù)不斷提高。近年來(lái)光柵測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的使用占具主要的地位。本文提出了如何提高光柵尺測(cè)量精度的方法，和適于高速高精度的測(cè)量以及仿海德漢光柵尺的設(shè)計(jì)及加工工藝。1.3.2研究意義測(cè)量廣泛存在于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和人民生活的各個(gè)方面。自然科學(xué)所闡明的一般規(guī)律、定理、定律，往往都是以測(cè)量為基礎(chǔ)。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，測(cè)量技術(shù)的地位越來(lái)越重要，小到納米級(jí)的金相分析，大到船舶制造和橋梁建設(shè)，精到衛(wèi)星的發(fā)射，都必須進(jìn)行測(cè)量。從某種意義上說(shuō)，沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科研，就沒(méi)有現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。而在目前時(shí)期，光柵測(cè)量是最主要的測(cè)量方式之一，光柵尺精度高、可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在機(jī)床、二坐標(biāo)和大量程直線測(cè)量設(shè)備中應(yīng)用比較廣泛。光柵尺在現(xiàn)代工業(yè)的貢獻(xiàn)也是非常巨大的，不僅僅將現(xiàn)在加工精度進(jìn)一步完善，更重要的是提高了現(xiàn)在加工時(shí)的工作效率。在現(xiàn)在中國(guó)加工業(yè)、制造業(yè)越來(lái)越成熟，對(duì)加工的精度越來(lái)越高的時(shí)候，在各種機(jī)床上，例如：銑床、磨床、車床、線切割、電火花等機(jī)床上都可以安裝光柵尺，其工作環(huán)境要求相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很苛刻，對(duì)操作者的使用來(lái)說(shuō)也十分簡(jiǎn)單。在數(shù)控機(jī)床中，HEDENHAIN光柵尺是最先進(jìn)的測(cè)量工具。海德漢公司研制生產(chǎn)光柵尺、角度編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)顯裝置和數(shù)控系統(tǒng)。海德漢公司的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、自動(dòng)化機(jī)器，尤其是半導(dǎo)體和電子制造業(yè)等領(lǐng)域。對(duì)于數(shù)控機(jī)床，單純追求高準(zhǔn)確度的光柵尺是不夠的，還要選擇光柵尺的信號(hào)周期大小及設(shè)定控制系統(tǒng)的細(xì)分份數(shù)，使數(shù)控機(jī)床有合適的分辨率，同時(shí)還要選擇合適的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)。要進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的整體精度，還要對(duì)機(jī)床進(jìn)行線性補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償甚至幾何精度補(bǔ)償?shù)?。?章 光柵尺的結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 光柵尺位移傳感器2.1.1 光柵尺的概念光柵尺位移傳感器（簡(jiǎn)稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置（如圖2-1）。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)床與現(xiàn)在加工中心以及測(cè)量?jī)x器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用。圖2-1 光柵尺的外觀光柵尺只是一個(gè)反應(yīng)裝置，它可以將位移量和位移方向通過(guò)信號(hào)輸出的方式反饋出來(lái)，但它不能直接顯示出來(lái)，它還需要一個(gè)顯示裝置，我們簡(jiǎn)稱它為數(shù)顯顯示箱，也稱數(shù)顯表。只有當(dāng)光柵尺和數(shù)顯表連接在一起的時(shí)候，才能正常的將數(shù)值反應(yīng)給每一位操作者，因而，我們對(duì)于光柵尺的使用上面，還是要多了解，如果不是很專業(yè)的人員，需要知道一些專業(yè)性的知識(shí)，才能單獨(dú)使用光柵尺作為反饋裝置使用。 2.1.2 光柵尺裝置的分類光柵尺位移傳感器按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。透射光柵指的玻璃光柵；反射光柵指的鋼帶光柵。2.1.3 光柵尺裝置結(jié)構(gòu)光柵尺位移傳感器是有標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動(dòng)部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上，指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。光柵檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)光柵檢測(cè)裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會(huì)聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場(chǎng)合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭）。2.1.4 常見光柵尺的工作原理 常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來(lái)放置兩光柵尺時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來(lái)越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過(guò)這個(gè)區(qū)域透過(guò)光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶。2.1.5 莫爾條紋圖2-2 莫爾條紋以透射光柵為例，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋” (如圖2-2所示)。嚴(yán)格地說(shuō)，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離為莫爾條紋的寬度，以w表示。莫爾條紋具有以下性質(zhì)：當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，透過(guò)莫爾條紋的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)。若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關(guān)系為： 無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個(gè)重要特點(diǎn)。由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對(duì)光柵個(gè)別線紋之間的柵距誤差具有平均效應(yīng)，能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d，莫爾條紋便相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直，且當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向改變時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。2.2 檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理光柵測(cè)量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位稱量進(jìn)行測(cè)量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，目前（2006年）光柵尺位移傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。例如，柵線為50線對(duì)/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5m的計(jì)數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測(cè)控中已達(dá)到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測(cè)其大小，又要檢測(cè)其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號(hào)。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號(hào)其相位差為/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過(guò)對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過(guò)對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。 2.3 車間級(jí)測(cè)量對(duì)光柵尺的要求測(cè)量室為精密測(cè)量提供了優(yōu)良的環(huán)境，也帶來(lái)了一系列問(wèn)題:昂貴的設(shè)施設(shè)備、維持恒溫的成木以及被中斷的生產(chǎn)流程。為了盡可能在批量生產(chǎn)過(guò)程中控制生產(chǎn)流程，便有了“庫(kù)間級(jí)測(cè)量或在線測(cè)量”。測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)影響生產(chǎn)流程的控制，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)工序和規(guī)劃的目的。與此同時(shí)，車間級(jí)測(cè)量劉一測(cè)量設(shè)備的要求也隨之凸現(xiàn)。測(cè)量機(jī)在生產(chǎn)車間中需要適應(yīng)溫度、振動(dòng)、污染等環(huán)境要求。測(cè)量機(jī)的生產(chǎn)廠家一致認(rèn)為，任何相對(duì)于DIN102標(biāo)準(zhǔn)中確定的參考溫度20溫度誤差都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量機(jī)和被測(cè)下件的長(zhǎng)度和角度變化，這此變化必須被折算回參考溫度。而測(cè)量設(shè)備(光柵尺、編碼器)的可定義的、高重復(fù)性的熱性能是進(jìn)行折算的必要條件。未來(lái)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISOTC213-WG10）為此將更為重視測(cè)量設(shè)備的膨脹系數(shù)及其允許的誤差范圍。作為測(cè)量機(jī)的測(cè)量基準(zhǔn)，光柵尺的膨脹系數(shù)及其誤差發(fā)揮著重要的影響。制造光柵尺的材料通常為鋼、玻璃或玻璃陶瓷。如果計(jì)算所采用的膨脹系數(shù)小準(zhǔn)確，僅幾度的溫度變化就會(huì)造成數(shù)微米的測(cè)量誤差。為了獲得膨脹系數(shù)的精確數(shù)值，可使用專用“膨脹計(jì)”。用該設(shè)備通過(guò)測(cè)量材料樣品來(lái)精確地確定光柵尺材料的真實(shí)膨脹系數(shù)。例如用于測(cè)量棒狀材料的測(cè)試臺(tái)就屬這類設(shè)備。這樣獲得的精確熱膨脹系數(shù)可以作為真實(shí)值用于測(cè)量機(jī)的長(zhǎng)度補(bǔ)償計(jì)算。實(shí)際在更多情況下，人們還是采用資料中的或是由生產(chǎn)商提供的數(shù)據(jù)。所以，補(bǔ)償?shù)牟淮_定性從一開始就存在。只有掌握相應(yīng)的信息、正確地選擇材料、滿足熱力學(xué)條件，才能良好地應(yīng)對(duì)熱變形。由于不同的原材料在溫度變化時(shí)的膨脹程度不同，而且達(dá)到新溫度的速度也不同，所需的溫度和精度補(bǔ)償都相當(dāng)復(fù)雜。為了從一開始就避免將補(bǔ)償計(jì)算建立在錯(cuò)誤測(cè)量值的基礎(chǔ)上，一定要采用熱穩(wěn)定的光柵尺。車間型測(cè)量機(jī)用光柵尺的材料選擇非常重要。光柵尺一般采用的材料如玻璃、鋼只能給出大概的膨脹系數(shù)值，而光柵材料玻璃陶瓷ZERODUR的膨脹系數(shù)在很寬的溫度范圍內(nèi)都能保證精度，同時(shí)其抗老化性能極好。正確選擇光柵尺可以提高測(cè)量機(jī)的性能，對(duì)測(cè)量機(jī)的可靠性起著決定性的作用。在車間級(jí)測(cè)量機(jī)領(lǐng)域，以下要求和性能是必需的：光柵尺的膨脹系數(shù)必須已知；（1節(jié)點(diǎn)間精度高；（2高抗污染能力保證無(wú)故障測(cè)量；（3長(zhǎng)時(shí)間的高可靠性；價(jià)格低廉。高精度、用戶友好的安裝公差以及高速緊湊的讀數(shù)頭設(shè)計(jì)是海德漢LIDA400型開放式增量光柵尺的標(biāo)志性特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得它特別適合于自動(dòng)化和電子行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域。新的玻璃和玻璃陶瓷光柵載體材料(ZERODUR、ROBAX)的采用大大拓展了這款光柵尺的應(yīng)用領(lǐng)域。新款LIDA400同樣也適用于在車間級(jí)測(cè)量機(jī)上使用。背面固定的粘接層PRECIMEI可以實(shí)現(xiàn)方便的安裝。新的玻璃和玻璃陶瓷光柵小需要特殊的讀數(shù)頭，即現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)LIDA400讀數(shù)頭可以繼續(xù)使用統(tǒng)一的光柵截面尺寸使得小同材質(zhì)光柵的替換變得容易。玻璃尺體和玻璃陶瓷尺體統(tǒng)一的截而尺寸使得通過(guò)更換尺體來(lái)升級(jí)測(cè)量機(jī)變得十分方便。所有型寫讀數(shù)頭都擁有大面積的掃描窗口，這一特性使得光柵對(duì)污染極不敏感，另一方面非常標(biāo)準(zhǔn)的掃描信號(hào)也允許對(duì)信號(hào)進(jìn)一步高倍細(xì)分。LIDA400系列光柵尺的柵距為20m,可選1Vpp或TTL輸出信號(hào)。最大測(cè)量長(zhǎng)度可長(zhǎng)達(dá)30m（鋼帶)或3m(玻璃和玻璃陶瓷）。允許測(cè)量速度可達(dá)480m/min。光柵可以配備參考點(diǎn)，也可集成磁限位開關(guān)。熱膨脹問(wèn)題可以在保持讀數(shù)頭型號(hào)統(tǒng)一的前提下，通過(guò)選擇合適的光柵尺體材料來(lái)解決。采用玻璃或陶瓷玻璃光柵的新一代LIDA400系列光柵尺極大地滿足了車間型測(cè)量機(jī)或其他車間級(jí)設(shè)備的測(cè)量需求。第3章 仿海德漢光柵尺實(shí)體建模及工藝設(shè)計(jì)3.1 海德漢光柵尺3.1.1 海德漢編碼器德國(guó)（HEIDENHAIN）海德漢編碼器精度可達(dá)0.5m或更高，測(cè)量步距可達(dá)0.001mm，測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)30m，讀數(shù)頭與光柵尺間無(wú)摩擦，尺寸緊湊和重量輕，運(yùn)動(dòng)速度快，封閉式直線光柵尺有：標(biāo)準(zhǔn)光柵尺外殼，用于高振動(dòng)頻率，最大測(cè)量長(zhǎng)度30m；纖細(xì)光柵尺外殼，適用于優(yōu)先安裝空間，最大測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)1240mm配安裝板或緊固原件可使最大測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)2040mm。海德漢封閉式直線光柵尺的鋁外殼可以有效保護(hù)光柵尺，讀數(shù)頭和導(dǎo)軌免受灰塵，切屑和切削液的影響。自動(dòng)向下壓的彈性密封條保持外殼密封，讀數(shù)頭運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦力很小，導(dǎo)軌在光柵尺內(nèi)，讀數(shù)頭通過(guò)一個(gè)連軸器與外部安裝加連接，聯(lián)軸器可以補(bǔ)償光柵尺和機(jī)床導(dǎo)軌之間不可避免的對(duì)正誤差，讀數(shù)頭DIADUR光柵尺光暈啊光電池密封條安裝。3.1.2 海德漢光柵尺的特點(diǎn)（1）最先進(jìn)可靠的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，采用可靠耐用的高精度五軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)異的重復(fù)定位性和高等級(jí)測(cè)量精度。（2）傳感器采用密封式結(jié)構(gòu)，性能可靠，安裝方便。（3）采用特殊的耐油、耐蝕、高彈性及抗老化塑膠防水，防塵優(yōu)異，使用壽命長(zhǎng)。 （4）具體高水平的抗干擾能力，穩(wěn)定可靠。（5）光源采用紅外發(fā)光二極管，體積小壽命長(zhǎng)。（6）采用先進(jìn)的光柵制作技術(shù)，能制作各規(guī)格的高精度光柵玻璃尺（最長(zhǎng)可做到3000mm）。3.2 光柵尺的選擇標(biāo)準(zhǔn)3.2.1 以精度指標(biāo)選擇光柵尺評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床的重要指標(biāo)是機(jī)床的精度。高精度的機(jī)床選擇高準(zhǔn)確度等級(jí)的光柵尺是必然的。光柵尺的準(zhǔn)確度與光柵尺的分辨率是兩個(gè)概念。準(zhǔn)確度指光柵尺的光柵條紋位置淮確程度。要達(dá)到高誰(shuí)確度，不但要求每條光刻條紋位置準(zhǔn)確，而且要求每條光柵條紋均勻一致，邊緣清晰。高準(zhǔn)確度的光柵對(duì)制造商的生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備要求非常高。如德國(guó)HEIDENHAIN公司在地下15m處建立了一個(gè)無(wú)塵、恒溫(溫度控制在0.01 0C)光柵刻蝕車間，以保證光柵條紋的準(zhǔn)確度和精度。分辨率是評(píng)價(jià)光柵的另一指標(biāo)。我們知道，掃描光柵與帶尺光柵每相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，便產(chǎn)生一組交變的正弦信號(hào)。這組信號(hào)就是光柵尺輸出的原始信號(hào)。那么，帶尺光柵條紋的周期是分辨率的基礎(chǔ)。要求高的分辨率，首先要選擇信號(hào)周期小的光柵尺。這樣，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的速度、加速度和頻響速度(截止頻率)達(dá)到較高的水平。光柵尺的分辨率和準(zhǔn)確度是不同的，但卻是相輔相成的。高準(zhǔn)確度的光柵尺其原始信號(hào)周期也較小。信號(hào)經(jīng)過(guò)細(xì)分，就會(huì)有細(xì)分誤差。細(xì)分誤差是光柵尺原始信號(hào)周期內(nèi)的誤差，因而它也是一個(gè)具有周期性的誤差信號(hào)。該誤差過(guò)大會(huì)造成伺服系統(tǒng)的震蕩，影響數(shù)控伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果光柵條紋不均勻、刻線邊緣不清晰，相對(duì)的細(xì)分誤差就會(huì)較大。3.2.2 以效率指標(biāo)選擇光柵尺目前的光柵尺多為增量式。因而，每個(gè)光柵尺都有參考標(biāo)記信號(hào)。采用增量式光柵尺，在機(jī)床斷電再開機(jī)或機(jī)圖5絕對(duì)式尤栩床重新啟動(dòng)時(shí)，通常要慢慢移動(dòng)到光柵尺刻有參考標(biāo)記的位置處，光柵尺的電氣類數(shù)控系統(tǒng)找到參考標(biāo)記并記憶該位置。過(guò)去的光柵尺通常都有一個(gè)固定的參考點(diǎn)標(biāo)記。如果機(jī)床行程很長(zhǎng)，找參考點(diǎn)就占據(jù)了大量時(shí)間。為了減少數(shù)控機(jī)床的非加工時(shí)間，最好機(jī)床在開機(jī)時(shí)就感知到參考點(diǎn)的位置或已知機(jī)床坐標(biāo)軸所處的位置。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，HEIDENHAIN公司在參考標(biāo)記上做了很多改進(jìn)。圖4示出帶距離編碼的參考標(biāo)記的光柵尺片段。每20mm距離有三個(gè)參考標(biāo)記，分為一組。每組參考標(biāo)記中的中間標(biāo)記與前一點(diǎn)的標(biāo)記距離與其他組不同，并且是惟一的。帶有這種參考標(biāo)記的光柵尺通常要與數(shù)控系統(tǒng)約定好。機(jī)床每移動(dòng)超過(guò)一組參考標(biāo)記的距離，便可從中間點(diǎn)距第一點(diǎn)的惟一距離計(jì)算出所處的坐標(biāo)位置。換句話說(shuō)，機(jī)床只要移動(dòng)20mm以上的距離，便可以確定位置。實(shí)現(xiàn)了快速返回參考點(diǎn)的目的。絕對(duì)式光柵尺開機(jī)便可確定參考點(diǎn)的位置。圖5為絕對(duì)式光柵尺的測(cè)量原理圖。絕對(duì)式光柵尺是由多組不同刻線周期的光柵條紋組成，按一定規(guī)則排列的光電池接收光透過(guò)掃描光柵和帶尺光柵的光強(qiáng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的電信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)與光柵尺接口間有一定的通信協(xié)議，將二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)軸的位置信息。HEIDENHAI公司研制的3m長(zhǎng)的絕對(duì)式光柵尺實(shí)現(xiàn)了分辨率0.1 m。絕對(duì)式光柵尺是今后的發(fā)展方向。3.2.3 以電氣接口形式選擇光柵尺選擇光柵尺應(yīng)注意與數(shù)控系統(tǒng)相配。不同的數(shù)控系統(tǒng)要求不同的電氣接口形式(光柵尺的電氣接口數(shù)據(jù)形式見表1)。表1 光柵尺的電氣接口數(shù)據(jù)形式3.3 光柵尺的制造工藝數(shù)字讀出系統(tǒng)( DRO或VRO)是側(cè)量系統(tǒng)中的重要組件.測(cè)量系統(tǒng)的精度主要由傳感器或碼尺決定，因此，傳感器或碼尺是測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件.碼尺一般安裝于機(jī)床不顯著的部位(有時(shí)是以密封方式安裝的)。在加工過(guò)程中，碼尺和讀數(shù)部件起著監(jiān)視系統(tǒng)的作用.本文著重介紹美國(guó)Acugite公司的光柵制造工藝.3.3.1 碼尺的類別碼尺能把位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào).現(xiàn)有碼尺的種類主要是以采用的材料和產(chǎn)生電信號(hào)的楊理原理來(lái)決定的.磁尺采用金屬材料，而光柵尺的工作原理則是通過(guò)玻璃上的鍍鉻線條把紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在磁尺制造工藝中，包含有在金屬圓桿的磁性材料上等距地錄磁，由于磁化特性的限制，磁柵柵距不可能錄得太細(xì)，例如一般為。.2mm，因此，要達(dá)到百萬(wàn)分之50英寸的分辨率則要采用大的細(xì)分?jǐn)?shù)，相反光柵尺由于采用了鍍鉻工藝，可以得到較細(xì)的柵距，例如125條線/mm，這樣要得到上述的分辨率就容易得多了.0.2mm柵距的磁柵要達(dá)到百萬(wàn)分之50英( 0.00125mm)分辨率需要采取200細(xì)分.，而上述柵距的光柵尺要達(dá)到相同的分辨率則只要8細(xì)分即可.內(nèi)插(細(xì)分)精度的一般可接受的原則是信號(hào)的細(xì)分?jǐn)?shù)愈小，則系統(tǒng)的精度愈高，這也是為什么設(shè)備制造商采用光柵作為高精度測(cè)量系統(tǒng)核心元件的主要理由之一3.3.2 尺坯制造第一步是檢驗(yàn)70 X 64大張玻璃毛還的技術(shù)性能，例如厚度和平行度等，然后劃線并分割成狹條玻璃以便下序精加工.但也可直接用金剛石割刀切割成滿足規(guī)定技術(shù)條件的玻璃片，加工后的玻璃片仍需按技術(shù)條件再檢驗(yàn)一次。鍍鉻前應(yīng)擦洗玻璃片并放入清冼機(jī)清洗.鍍鉻工藝采用兩種型號(hào)的鍍鉻系統(tǒng).在濺射式鍍鉻系統(tǒng)中，玻璃片重疊地放在運(yùn)送托架上，運(yùn)送托架從下通過(guò)鍍鉻系統(tǒng)中真空腔的鉻靶，鉻靶是帶電荷的，因此向下散射鉻原子，當(dāng)精確地控制時(shí)，玻璃片上的鉻層(單邊)是很均勻的.當(dāng)玻璃尺上的線距較小時(shí)，則采用由.電子槍加熱的蒸發(fā)式鉻靶，鉻蒸氣凝結(jié)在玻璃片上形成鍍鉻層，玻璃片鍍鉻后即可進(jìn)行刻線.3.3.3 刻線首先在玻璃片鉻層上鍍上光敏抗腐鍍層，然后放在洪箱中烘烤，蒸發(fā)掉光敏抗腐鍍層中的溶劑和穩(wěn)定鍍層的抗腐作用.第二工序也是最重要的工序，即在光敏抗腐鍍層上光刻(爆光)，以使在鍍鉻層上形成刻線圖樣.光刻是把鍍有光敏抗腐層的玻璃放在作為底版的母光柵上，然后從下進(jìn)行爆光.已經(jīng)爆光后的玻璃片放在化學(xué)溶劑中定形和腐蝕，在這個(gè)關(guān)鍵性的步驟中為了保證精度，應(yīng)采用嚴(yán)格的環(huán)境條件和機(jī)械控制裝置.這樣，便可得到具有一系列完好而均勻排列的，每毫米25125條鉻線條(根據(jù)分辨率要求)的光柵尺。3.3.4 母光柵AcuRite公司光柵尺復(fù)制工藝中采用的母光柵尺是在該公司的激光干涉儀控制的刻線機(jī)上刻制的，刻線機(jī)裝在地下150英尺(45米)深的巖石基礎(chǔ)上，刻線精度可達(dá)百萬(wàn)分之幾英寸(約。.125tm/1000mm),該公司研制母光柵已有15年以上經(jīng)驗(yàn).3.3.5 質(zhì)量保證每根光柵尺都需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)以保證達(dá)到規(guī)定的精度標(biāo)準(zhǔn).以下簡(jiǎn)要介紹有關(guān)光柵尺制造過(guò)程中所用的檢驗(yàn)設(shè)備。(1)光學(xué)性能檢驗(yàn)機(jī)用于檢驗(yàn)光柵尺的光學(xué)性能的質(zhì)量.一臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制的光學(xué)質(zhì)量掃描檢驗(yàn)機(jī)用于在光柵尺全長(zhǎng)上檢驗(yàn)光線傳邏性能，它能檢驗(yàn)光柵線條上的各種缺陷，這些缺陷可能由塵污、氣泡或其他外物引起，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)后符合要求的光柵尺切割成所需要的長(zhǎng)度尺寸裝入壓制鋁盒中。(2)精度檢驗(yàn)機(jī)裝配好的光柵尺需進(jìn)行精確度檢驗(yàn).光柵尺的全長(zhǎng)檢驗(yàn)是由計(jì)算機(jī)控制的激光干涉儀上進(jìn)行的。Acu-Rite生產(chǎn)的每一光柵尺都經(jīng)過(guò)上述扮驗(yàn)，并在出廠時(shí)帶有檢驗(yàn)報(bào)告單提供用戶使用。(3)光柵尺裝配經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格后的光柵尺裝入用人造橡膠密封的鋁盒中，鋁盒兩端裝有防震端蓋，這種光柵尺不但精度高，并且可以防止油污、灰塵和切屑等環(huán)境沾污，它能以wm級(jí)精確度和重復(fù)性將機(jī)床導(dǎo)軌的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)為電信號(hào)。(4)最后是裝入讀數(shù)頭讀數(shù)頭包含有一塊裝有集成電路元件的小型印刷線路板，讀數(shù)頭裝在一個(gè)沿著光柵尺滑動(dòng)的耐磨盒子中，讀數(shù)頭采用鋼球一一彈簧聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)是Acu-Rite的專利(設(shè)計(jì))，它能補(bǔ)償由于安裝或工作臺(tái)移動(dòng)不準(zhǔn)確而引起的誤差，因而能保持讀數(shù)頭的正確運(yùn)動(dòng)軌跡和系統(tǒng)的精度。由光柵尺和讀數(shù)頭組J:I (t J尤姍傳感器尚需進(jìn)行最后檢驗(yàn)以保證其機(jī)械和電子性能，經(jīng)過(guò)終檢后的光柵傳感器配上相應(yīng)的讀數(shù)電箱便作為數(shù)字讀出系統(tǒng)(DRQ)出售。3.4 光柵尺的安裝工藝光柵數(shù)顯測(cè)量系統(tǒng)是一種能自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)顯示的光機(jī)電一體化產(chǎn)品，是改造舊機(jī)床，裝備新機(jī)床以及各種長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器的重要配套件，是用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)的方向之一。由于光柵數(shù)顯測(cè)量系統(tǒng)具有精度高，安裝及操作容易，價(jià)格低，回收投資快等優(yōu)點(diǎn)而得到大量使用。3.4.1 結(jié)構(gòu) 開啟式傳感器的標(biāo)尺光柵裸露在外，微型發(fā)光器件和接收器件都裝在傳感頭里。它的精度較高，要求的工作環(huán)境條件高，通常運(yùn)用于精密儀器及使用條件較好的數(shù)控設(shè)備上。閉式傳感器的特點(diǎn)是發(fā)光器件、光電轉(zhuǎn)換器件和光柵尺封裝在緊固的鋁合金型材里。發(fā)光器件采用紅外發(fā)光二極管，光電轉(zhuǎn)換器件采用光電三極管。在鋁合金型材下部有柔性的密封膠條，可以防止鐵屑、切屑和冷卻劑等污染物進(jìn)入尺體中。電氣連接線經(jīng)過(guò)緩沖電路進(jìn)入傳感頭，然后再通過(guò)能防止干擾的電纜線送進(jìn)光柵數(shù)顯表，顯示位移的變化。閉式傳感器的傳感頭分為下滑體和讀數(shù)頭兩部分。下滑體上固定有五個(gè)精確定位的微型滾動(dòng)軸承沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，保證運(yùn)動(dòng)中指示光柵與主柵尺之間保持準(zhǔn)確夾角和正確的間隙。讀數(shù)頭內(nèi)裝有前置放大和整形電路。讀數(shù)頭與下滑體之間采用剛?cè)峤Y(jié)合的聯(lián)接方式，既保證了很高的可靠性，又有很好的靈活性。讀數(shù)頭帶有兩個(gè)聯(lián)接孔，主光柵尺體兩端帶有安裝孔，將其分別安裝在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部件上，實(shí)現(xiàn)主光柵尺與指示光柵之間的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行線性測(cè)量。3.4.2 基本原理 光柵位移傳感器的工作原理，是由一對(duì)光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90o的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示。3.4.3 安裝方式光柵線位移傳感的安裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位。 一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺(tái)（滑板）上，隨機(jī)床走刀而動(dòng)，讀數(shù)頭固定在床身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時(shí)，則必須增加輔助密封裝置。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對(duì)機(jī)床靜止部件上，此時(shí)輸出導(dǎo)線不移動(dòng)易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的部件上（如滑板）。(1)安裝基面 安裝光柵線位移傳感器時(shí)，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機(jī)床身上，更不能安裝在打底涂漆的機(jī)床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部件上。用千分表檢查機(jī)床工作臺(tái)的主尺安裝面與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的方向平行度。千分表固定在床身上，移動(dòng)工作臺(tái)，要求達(dá)到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。如果不能達(dá)到這個(gè)要求，則需設(shè)計(jì)加工一件光柵尺基座。基座要求做到：應(yīng)加一根與光柵尺尺身長(zhǎng)度相等的基座（最好基座長(zhǎng)出光柵尺50mm左右）。該基座通過(guò)銑、磨工序加工，保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內(nèi)。另外，還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于0.2mm。安裝時(shí)，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達(dá)到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為11.5mm左右。 (2) 主尺安裝 將光柵主尺用M4螺釘上在機(jī)床安裝的工作臺(tái)安裝面上，但不要上緊，把千分表固定在床身上，移動(dòng)工作臺(tái)（主尺與工作臺(tái)同時(shí)移動(dòng)）。用千分表測(cè)量主尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的平行度，調(diào)整主尺M(jìn)4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時(shí)，把M2螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時(shí)，應(yīng)注意如下三點(diǎn)：1）在裝主尺時(shí)，如安裝超過(guò)1.5M以上的光柵時(shí)，不能象橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個(gè)主尺尺身中有支撐。 2）在有基座情況下安裝好后，最好用一個(gè)卡子卡住尺身中點(diǎn)（或幾點(diǎn)）。3）不能安裝卡子時(shí)，最好用玻璃膠粘住光柵尺身，使基尺與主尺固定好。（3）讀數(shù)頭的安裝 在安裝讀數(shù)頭時(shí)，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達(dá)到安裝要求，然后再安裝讀數(shù)頭，其安裝方法與主尺相似。最后調(diào)整讀數(shù)頭，使讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內(nèi)，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在11.5mm以內(nèi)。（4）限位裝置 光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝限位裝置，以免機(jī)床加工產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購(gòu)光柵線位移傳感器時(shí)，應(yīng)盡量選用超出機(jī)床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以留有余量。 （5）檢查 光柵線位移傳感器安裝完畢后，可接通數(shù)顯表，移動(dòng)工作臺(tái)，觀察數(shù)顯表計(jì)數(shù)是否正常。在機(jī)床上選取一個(gè)參考位置，來(lái)回移動(dòng)工作點(diǎn)至該選取的位置。數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表與數(shù)顯表同時(shí)調(diào)至零（或記憶起始數(shù)據(jù)），往返多次后回到初始位置，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據(jù)是否一致。 通過(guò)以上工作，光柵傳感器的安裝就完成了。但對(duì)于一般的機(jī)床加工環(huán)境來(lái)講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應(yīng)附帶加裝護(hù)罩，護(hù)罩的設(shè)計(jì)是按照光柵傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護(hù)罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。 3.4.4 使用注意事項(xiàng)（1）光柵傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源后進(jìn)行。 （2）盡可能外加保護(hù)罩，并及時(shí)清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴(yán)格防止任何異物進(jìn)入光柵傳感器殼體內(nèi)部。（3）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動(dòng)。（4）為延長(zhǎng)防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油，注意勿濺落在玻璃光柵刻劃面上。（5） 為保證光柵傳感器使用的可靠性，可每隔一定時(shí)間用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔。（6） 光柵傳感器嚴(yán)禁劇烈震動(dòng)及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂，光柵傳感器即失效了。（7） 不要自行拆開光柵傳感器，更不能任意改動(dòng)主柵尺與副柵尺的相對(duì)間距，否則一方面可能破壞光柵傳感器的精度；另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對(duì)摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報(bào)廢。（8） 應(yīng)注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布，引起測(cè)量誤差。（9） 光柵傳感器應(yīng)盡量避免在有嚴(yán)重腐蝕作用的環(huán)境中工作，以免腐蝕光柵鉻層及光柵尺表面，破壞光柵尺質(zhì)量。3.4.5 常見故障現(xiàn)象及判斷方法 （1） 接電源后數(shù)顯表無(wú)顯示 1）檢查電源線是否斷線，插頭接觸是否良好。2）數(shù)顯表電源保險(xiǎn)絲是否熔斷。3）供電電壓是否 符合要求。（2） 數(shù)顯表不計(jì)數(shù) 1）將傳感器插頭換至另一臺(tái)數(shù)顯表，若傳感器能正常工作說(shuō)明原數(shù)顯表有問(wèn)題。2）檢查傳感器電纜有無(wú)斷線、破損。（3） 數(shù)顯表間斷計(jì)數(shù)1）檢查光柵尺安裝是否正確，光柵尺所有固定螺釘是否松動(dòng)，光柵尺是否被污染。2）插頭與插座是否接觸良好。3）光柵尺移動(dòng)時(shí)是否與其他部件刮碰、摩擦。4）檢查機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副精度是否過(guò)低，造成光柵工作間隙變化。（4） 數(shù)顯表顯示報(bào)警 1）沒(méi)有接光柵傳感器。2）光柵傳感器移動(dòng)速度過(guò)快。3）光柵尺被污染。（5）光柵傳感器移動(dòng)后只有末位顯示器閃爍 1）A或B相無(wú)信號(hào)或不正常只有一相信號(hào)。2）有一路信號(hào)線不通。3）光敏三極管損壞。（6）移動(dòng)光柵傳感器只有一個(gè)方向計(jì)數(shù)，而另一個(gè)方向不計(jì)數(shù)（即單方向計(jì)數(shù)）。1）光柵傳感器A、B信號(hào)輸出短路。2）光柵傳感器A、B信號(hào)移相不正確。3）數(shù)顯表有故障。（7）讀數(shù)頭移動(dòng)發(fā)出吱吱聲或移動(dòng)困難 1）密封膠條有裂口。2）指示光柵脫落，標(biāo)尺光柵嚴(yán)重接觸摩擦。3）下滑體滾珠脫落。4）上滑體嚴(yán)重變形。（8）新光柵傳感器安裝后，其顯示值不準(zhǔn) 1）安裝基面不符合要求。2）光柵尺尺體和讀數(shù)頭安裝不合要求。3）嚴(yán)重碰撞使光柵副位置變化。第4章 光柵尺的精度4.1 提高光柵尺測(cè)量精度的有效方法光柵尺精度高、可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在機(jī)床、二坐標(biāo)和大量程直線測(cè)量設(shè)備中應(yīng)用比較廣泛。日前對(duì)其信號(hào)的檢測(cè)有了非常簡(jiǎn)單、可靠的電路。其中有一種方法利用一片CAL和一片單片機(jī)2051就實(shí)現(xiàn)了光柵尺的計(jì)數(shù)細(xì)分和辨向。該法用CAL先對(duì)光柵尺的兩相相差90。的方波信號(hào)觸發(fā)整形，然后采用組合時(shí)序邏輯實(shí)現(xiàn)四倍頻的正向和反向脈沖信號(hào)，分別從不同的引腳輸出，最后把這兩個(gè)信號(hào)分別送入單片機(jī)2051的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器端口T0。計(jì)數(shù)值T0與T1的代數(shù)和，即是綜合考慮了光柵尺正反運(yùn)動(dòng)后的絕對(duì)位移。這種方法和其他方法一樣，沒(méi)有充分利用光柵尺的多零位信息，存在以下缺點(diǎn)。（1)雖然消除了光柵尺的抖動(dòng)干擾，卻無(wú)法根除光柵尺在大噪聲背景下引進(jìn)的累積誤差；（2)由于沒(méi)有利用零位信號(hào)，一旦中途斷電停機(jī)，再次測(cè)量時(shí)必須利用量塊或基座重新標(biāo)定光柵尺的絕對(duì)位置。引入光柵尺的多零位信息可以有效地解決這些問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是當(dāng)光柵尺通過(guò)零位時(shí)，使所有計(jì)數(shù)器值清零。這種方法必須解決以下問(wèn)題:（1)光柵尺通過(guò)零位信號(hào)的方向和次數(shù)；（2)消除因光柵尺在零位附近抖動(dòng)出現(xiàn)對(duì)零位信號(hào)的誤判。本文采用在非零位處處理光柵尺計(jì)數(shù)值以及利用零位信號(hào)對(duì)光柵尺計(jì)數(shù)值自動(dòng)糾錯(cuò)的方法，有效地解決了這些問(wèn)題。4.1.1 引進(jìn)零位信號(hào)后的光柵尺計(jì)數(shù)方法光柵尺每隔一定距離有一道特殊的零位刻線，每當(dāng)運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)讀數(shù)頭發(fā)出一個(gè)零位信號(hào)，將該脈沖信號(hào)在CAL中經(jīng)過(guò)整形后，送至單片機(jī)的外部中斷INTO口(如圖4-1）。圖4-1 光柵尺計(jì)數(shù)電路圖圖中A,B為相位相差1/4周期的方波信號(hào)，Z為零位信號(hào)，CP-,CP+為四倍頻的正向和反向脈沖信號(hào)，/Z為經(jīng)過(guò)反向后的零位信號(hào)。T0，T1為計(jì)數(shù)器端口，其中計(jì)數(shù)值為無(wú)符號(hào)數(shù)，即始終有T01，T11。/Z信號(hào)引入IN To后，當(dāng)光柵尺通過(guò)零位刻線時(shí)，可在外部中斷了程序中對(duì)計(jì)數(shù)器清零。設(shè)光柵尺兩零位刻線間的距離相當(dāng)于N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則從零位開始的這段距離內(nèi)滿足-N T0-T1N。其中T0為正向脈沖計(jì)數(shù)值，T1為反向脈沖計(jì)數(shù)值.如果光柵尺在某段內(nèi)產(chǎn)生了累積誤差，通過(guò)零位刻線后，計(jì)數(shù)值被自動(dòng)清零，計(jì)數(shù)重新開始，上一段內(nèi)產(chǎn)生的累積誤差被自動(dòng)清除，不影響當(dāng)前段的計(jì)數(shù).圖4-2 (a) ,(b)分別為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵尺前進(jìn)20000步、后退20000步時(shí)，引入清零信號(hào)后的計(jì)數(shù)值T0-T1變化情況，這里N=10000。(a) 光柵尺前進(jìn)計(jì)數(shù)值(b) 光柵尺后退計(jì)數(shù)值圖4-2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的變化4.1.2 引進(jìn)零位信號(hào)后的光柵尺絕對(duì)位移計(jì)算引進(jìn)零位信號(hào)后，對(duì)光柵尺絕對(duì)位移的計(jì)算關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地判斷清零的方向和清零的次數(shù)，即判斷正向清零次數(shù)和反向清零次數(shù)。如果脈沖計(jì)數(shù)絕對(duì)準(zhǔn)確，那么光柵尺停留在零位時(shí)，滿足T0-T1=N,T0-T1=-N中的一種情況。此時(shí)也是零位信號(hào)發(fā)出的時(shí)刻，因而T0、T1計(jì)數(shù)器在此刻要被自動(dòng)清零