單場(chǎng)掃描和四場(chǎng)掃描

新技術(shù)帶來高精度 機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)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也都有了大幅提高，這在很大程度上得宜于機(jī)床用光柵測(cè)量元件。單場(chǎng)掃描技術(shù)和絕對(duì)式測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前角度和長度測(cè)量技術(shù)發(fā)展中最主要的兩個(gè)方向，而且單場(chǎng)掃描技術(shù)和絕對(duì)式測(cè)量技術(shù)還可以組合應(yīng)用。同時(shí)采用這兩種技術(shù)的單場(chǎng)掃描絕對(duì)式測(cè)量設(shè)備無論從信號(hào)質(zhì)量、抗污染能力、測(cè)量速度還是可靠性來看都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上的迅速推廣也證實(shí)了這一點(diǎn)。單場(chǎng)掃描技術(shù)傳統(tǒng)的角度和長度測(cè)量設(shè)備所采用的四場(chǎng)成像式掃描方法中，光柵標(biāo)尺與帶有類似或相同光柵結(jié)構(gòu)的掃描掩膜做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。穿過標(biāo)尺與掩膜光線的明暗程度按標(biāo)尺與掩膜相對(duì)位置的不同而有規(guī)律地變化：當(dāng)標(biāo)尺與掩膜的空隙吻合時(shí)，光線得以穿過；當(dāng)柵線與空隙重合時(shí)，沒有光線穿過。感光元件將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)。掃描掩膜上有四個(gè)掃描區(qū)，各掃描區(qū)光柵間互相錯(cuò)開1/4柵距，對(duì)應(yīng)于這四個(gè)掃描區(qū)的感光元件生成相位差為90°的四個(gè)正弦信號(hào)。這四個(gè)掃描信號(hào)不以零線為其中線，所以需要將四個(gè)信號(hào)兩兩相減，以獲得兩個(gè)90°相位差，中線為零線的輸出信號(hào)11和12。參考點(diǎn) 感光元件參考點(diǎn) 感光元件圖1四場(chǎng)成像式光電掃描法原理新型的單場(chǎng)掃描技術(shù)中，掃描掩膜帶一個(gè)大尺寸光柵，其柵距與光柵標(biāo)尺的柵距略有不同（圖1），由此在掃描掩膜光柵長度上會(huì)產(chǎn)生明暗交替現(xiàn)象：某些地方柵線與柵線重疊，光線可以通過；某些地方柵線與空隙

重疊，光線無法通過；在這兩者之間，空隙部分被遮擋，這起到了光學(xué)過濾的作用，使得產(chǎn)生均勻的高正弦性信號(hào)成為可能。特制的柵狀感光元件取代了獨(dú)立感光元件，生成四個(gè)相位差為90°的掃描信號(hào)。單場(chǎng)掃描光學(xué)掃描系統(tǒng)對(duì)角度和長度測(cè)量設(shè)備性能的提高起到了決定性的作用。它的大面積掃描區(qū)和特殊光學(xué)過濾可在測(cè)量設(shè)備全行程中產(chǎn)生穩(wěn)定質(zhì)量的掃描信號(hào)，這正是下列幾點(diǎn)的前提條件：信號(hào)周期內(nèi)位置誤差較??；高光柵運(yùn)行速度；使用直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，控制品質(zhì)高。仙4\治，幾兒IT圖2單場(chǎng)成像式光電掃描法原理在示波器XY顯示模式下可明顯地看到單場(chǎng)掃描的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)（圖2）：單場(chǎng)掃描光柵尺的輸出信號(hào)具有更好的圓度和更小的信號(hào)噪聲，這意味著更高的定位精度和更佳的控制品質(zhì)。對(duì)直線電機(jī)而言，配備了單場(chǎng)掃描光柵尺后，速度控制可以更為平滑。覆蓋光柵標(biāo)尺全寬的大尺寸掃描面以及交替重復(fù)出現(xiàn)的條狀掃描區(qū)使得采用單場(chǎng)掃描原理的測(cè)量設(shè)備對(duì)污染的干擾特別不敏感，這可通過抗污染試驗(yàn)來證實(shí)：即便在有大面積污染干擾時(shí)，測(cè)量設(shè)備仍任能提供高質(zhì)量的測(cè)量信號(hào)（圖3），位置誤差遠(yuǎn)低于測(cè)量設(shè)備標(biāo)定精度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的誤差值。

圖3（下圖）圖3四場(chǎng)與單場(chǎng)掃描抗污能力比較圖4單場(chǎng)/四場(chǎng)掃描技術(shù)抗污性能比較（綠色：單場(chǎng)；紅色：四場(chǎng)）與四場(chǎng)掃描相比，采用單場(chǎng)掃描因此可以在某些污染干擾場(chǎng)合，避免設(shè)備徹底無信號(hào)輸出情況的出現(xiàn)。絕對(duì)式測(cè)量技術(shù)所謂“絕對(duì)式測(cè)量（圖4）”是相對(duì)于增量式測(cè)量而言的。增量式測(cè)量設(shè)備通過對(duì)光柵探頭掃描過的柵線進(jìn)行計(jì)數(shù)來獲得相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)。為了獲得絕對(duì)位置，增量式測(cè)量設(shè)備在開機(jī)后須執(zhí)行過參考點(diǎn)動(dòng)作，而絕

對(duì)式測(cè)量設(shè)備以不同寬度、不同間距的柵線將絕對(duì)位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到測(cè)量設(shè)備中，測(cè)量設(shè)備開機(jī)后即可以提供絕對(duì)位置信息。通常，絕對(duì)式測(cè)量設(shè)備在絕對(duì)軌之外還同時(shí)配備有增量軌，用以進(jìn)一步提高測(cè)量設(shè)備的精度與分辨率。近幾年以來，絕對(duì)式光柵因其不可取代的種種優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這些優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面:縮減機(jī)床非生產(chǎn)時(shí)間機(jī)床在使用過程中經(jīng)常會(huì)因故障或其他原因而被迫關(guān)機(jī)重新啟動(dòng)。對(duì)于僅裝備了增量式光柵的機(jī)床，開機(jī)后必須對(duì)每一軸執(zhí)行通過參考點(diǎn)。與正常開機(jī)后通過參考點(diǎn)所不同的是，機(jī)床的刀具此時(shí)通常還處于加工位置，與工件有直接接觸，有時(shí)甚至還處于工件的內(nèi)部（如鉆孔、攻螺紋等），為了安全地進(jìn)行通過參考點(diǎn)，必須首先手動(dòng)將刀具移出加工位置。這對(duì)于帶傾斜刀具的多軸機(jī)床更為困難，往往要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，因?yàn)楫?dāng)?shù)毒咧赶蚺cX、Y、Z軸不平行時(shí)，增加了（故障后）手動(dòng)移出刀具的難度。對(duì)由多臺(tái)加工設(shè)備構(gòu)成的自動(dòng)生產(chǎn)線，在其中一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障須重新啟動(dòng)時(shí)，可能不得不對(duì)生產(chǎn)線內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行通過參考點(diǎn)，并需對(duì)未完全加工的工件進(jìn)行特殊處理。配備了絕對(duì)式光柵的機(jī)床或生產(chǎn)線在重新開機(jī)后立刻重新獲得各軸絕對(duì)位置以及刀具的空間指向，因此可以立刻從中斷處開始繼續(xù)原來的加工程序，大大提高了機(jī)床的有效加工時(shí)間。圖5絕對(duì)式測(cè)量示意圖

提高機(jī)床可靠性機(jī)床的可靠性直接決定零件生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)床每分鐘的故障時(shí)間對(duì)用戶而言都意味著成本的增加，因此，機(jī)床設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢(shì)是對(duì)重要部件的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。海德漢的絕對(duì)式光柵通過其雙向通信EnDat數(shù)據(jù)接口支持此類實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。EnDat數(shù)據(jù)接口除了絕對(duì)位置值外，還向數(shù)控系統(tǒng)傳輸光柵的工作狀況，如讀數(shù)頭光源調(diào)節(jié)余量是否接近極限、讀數(shù)頭最大允許移動(dòng)速度是否超標(biāo)、工作溫度是否超出允許范圍等。EnDat在上述情況出現(xiàn)時(shí)，可向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，此時(shí)，光柵仍可正常工作，但用戶可依據(jù)該預(yù)警信號(hào)提前采取措施。光柵出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，EnDat還會(huì)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)可依據(jù)該信號(hào)決定是否中止加工以保護(hù)機(jī)床和工件。在排除故障時(shí)，維修人員可以按照EnDat提供的信息在最短時(shí)間內(nèi)查找到故障的根源，如光柵電源過低、讀數(shù)頭工作不正常、輸出信號(hào)幅值過低等。通過發(fā)送預(yù)警和報(bào)警兩個(gè)等級(jí)的故障信號(hào)，絕對(duì)式光柵可以極大地提高用戶維護(hù)工作的效率，減少光柵故障造成停機(jī)的概率，機(jī)床的可靠性也由此得到提高。提高機(jī)床安全性為了對(duì)機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行保護(hù)，通常可以采用行程開關(guān)來確保機(jī)床各部件的運(yùn)動(dòng)不超出允許范圍。行程開關(guān)長期處在惡劣環(huán)境之中（冷卻液、金屬屑等），極易損壞，加上機(jī)床正常運(yùn)行時(shí)較少使用到行程開關(guān)，所以無法隨時(shí)確定其功能是否仍然正常。為了保證工