數控機床中光柵測量裝置的應用
數控機床中光柵測量裝置的應用
摘要：隨著(zhù)我國數控機床的不斷發(fā)展和壯大，我國的機床逐漸走向了高端、精細化行業(yè)，所以生產(chǎn)過(guò)程中的測量問(wèn)題成了至關(guān)重要的一步，文章針對當前測量裝置的現有技術(shù)，分布探討了機床中的光柵測量的裝置，重點(diǎn)對測量裝置的應用和測量裝置的維護兩個(gè)方面做了比較詳細的分析和研究。
關(guān)鍵詞：測量?jì)x光柵裝置應用分析
測量機屬于精密儀器，選擇安裝地點(diǎn)時(shí)，要考慮機器類(lèi)型、外型尺寸、機器重量、結構形式、周?chē)h(huán)境，如振動(dòng)情況、溫度條件、適合的吊裝，輔助設備如：合適的氣源、電源的安排等。
安裝測量機最合適的地方是溫度、濕度和振動(dòng)等都可以被穩定控制的房間，一般不適于有陽(yáng)光的直射方向，最好朝向為北向或沒(méi)有窗戶(hù)，因為陽(yáng)光對于室內的溫度有影響，不利于溫度的控制，本文重點(diǎn)對數控機床中的光柵測量的裝置問(wèn)題進(jìn)行了探討和研究。
1、數控機床中測量裝置的技術(shù)分析
當前最為先進(jìn)的測量技術(shù)都是采用材料累加原理，以光敏樹(shù)脂為原材料，導入三維圖利用Magics軟件進(jìn)行編程數據處理，能在很短的時(shí)間內直接制造產(chǎn)品樣品，無(wú)須傳統的機械加工機床和模具。
設計者可以把快速成型出來(lái)的實(shí)體手板樣件對設計方案進(jìn)行評定，對產(chǎn)品功能進(jìn)行驗證，經(jīng)過(guò)模擬試驗進(jìn)行生產(chǎn)可行性評估，根據用戶(hù)對設計方案的反饋信息，對設計方案再進(jìn)行修改和再驗證，這樣可以得到工作性能和經(jīng)濟性能優(yōu)良的設計方案，既節省了設計費用，又縮短了產(chǎn)品研制周期。
它的最大的特點(diǎn)是制作過(guò)程和制作成本不受樣件本身的復雜程度影響，真正實(shí)現了想得到，做得到。
光柵快速成型機的具有成型速度快、精度高和表面質(zhì)量好等特點(diǎn)。
目前由上海滬量測量公司研發(fā)的RS系列SLA激光快速成型機通過(guò)了高新技術(shù)成果論定，是國內快速成型制造設備的典型代表之一。
RS系列激光快速成型設備采用國際上最先進(jìn)的激光快速成型工藝Stereo Lithography(SL)。
SL工藝是機械、激光、光化學(xué)、軟件、控制技術(shù)的結晶,它是基于光敏樹(shù)脂受紫外光照射凝固的原理,計算機控制激光逐層掃描固化的截面是由零件的三維CAD模型軟件分層得到，直至最后得到光敏樹(shù)脂實(shí)物原型。
目前快速成型技術(shù)已經(jīng)在汽車(chē)、航空、航天、電子、家電、工業(yè)設計以及高等教育等國民經(jīng)濟的主戰場(chǎng)得到廣泛應用。
公司研發(fā)生產(chǎn)的SLA激光快速成型機已出口多個(gè)國家和地區，產(chǎn)生了顯著(zhù)的社會(huì )效益，應用前景十分廣闊。
2、光柵測量裝置的應用
2.1測量原理
光柵測量是利用光的衍射原理，通過(guò)疊放的光柵的相對運動(dòng)，產(chǎn)生與之同步移動(dòng)的莫爾條紋信號，然后通過(guò)讀數頭與后續電路，將導軌、工作臺的位置等信號轉變成信號讀出來(lái)，其讀數分辨率可達5nm。
當兩塊相同的長(cháng)光柵跌合，如果柵線(xiàn)的夾角很小時(shí)，莫爾條紋的方向與光柵條紋方向近似垂直。
光柵盤(pán)上黑白刻線(xiàn)的相對移動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生光強度周期性變化，此光信號經(jīng)光電池轉換成為周期性的電信號，對電信號進(jìn)行分析處理，就可獲得光柵相對移動(dòng)的位移量。
2.2光柵尺工作原理
光柵由光源、主光柵、指示光柵及光電元件所組成。
其中計量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現象來(lái)測量位移，這種方法具有測量精度高，對測量時(shí)的相對約束小等優(yōu)點(diǎn);在測量過(guò)程中，要將光源放置在主光柵的側面，光電元件放置在指示光柵的側面，當主光柵與指示光柵發(fā)生相對位移時(shí)，由于光源的照射造成兩光柵尺的線(xiàn)紋相交，從容產(chǎn)生了明暗相間的莫爾條紋。
光柵傳感器會(huì )產(chǎn)生近似正弦函數的曲線(xiàn)，指示光柵的光元件將這種放大信號進(jìn)行整合，輸入脈沖信號，最終形成了兩路相角相差90°的脈沖方波，從而進(jìn)行測量位移的大小和方向。
2.3光柵莫爾條紋的辨向
光柵信號的辨向是實(shí)現光柵動(dòng)態(tài)測量的關(guān)鍵步驟，因為莫爾條紋的光強度近似呈正弦曲線(xiàn)變化，所以光電元件所感應的光電流也會(huì )成為近似正弦曲線(xiàn)的規律變化;對于這種信號，經(jīng)過(guò)放大、整合后會(huì )形成脈沖，最終轉換成數字信息輸出，可以根據脈沖的個(gè)數確定位移量。
在測量中，可以利用計數器的脈沖數的增加和減少來(lái)辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，如果輸入可逆計數器的脈沖數累加，則莫爾條紋向正向移動(dòng)，如果輸入可逆計數器的脈沖數減少，則莫爾條紋反向移動(dòng)。
因此，在光柵的動(dòng)態(tài)測量時(shí)，一定要掌握光柵條紋的辨向。
3、光柵測量裝置的維護
3.1 Z軸檢測信號丟失
在數控機床工作過(guò)程中，由于設備磨損，導致零件間隙過(guò)大，或者零件損壞，都會(huì )產(chǎn)生機器故障，因此在數控機床工作期間要做好光柵測量裝置的維護工作，及時(shí)在設備運行中發(fā)現問(wèn)題。
當光柵測量裝置使用時(shí)間過(guò)長(cháng)，可能會(huì )出現零件老化等問(wèn)題，出現信號丟失，沒(méi)有將這些數據讀入設備，最終導致測量出現錯誤，為了保證測量過(guò)程中信號不會(huì )丟失，就要做好光柵測量裝置的維護。
在機床工作的過(guò)程中，從掃描單元輸出三組信號，其中兩組增量信號由四個(gè)光電池產(chǎn)生，把兩個(gè)相差180°的光電池連接在一起，他們的推挽就會(huì )形成兩組近似正弦波，相位相差90°的信號串;另外一組基準信號也由兩個(gè)相差180°的光電池接成推挽式，輸出一個(gè)尖峰信號，這個(gè)信號智慧在晉國標志時(shí)，產(chǎn)生，用來(lái)確認機床的基準點(diǎn)。
兩組正弦波增量信號經(jīng)過(guò)放大整形后成為三角波信號串，這些信號分頻后會(huì )在一個(gè)信號周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，即所謂的倍頻處理。
增量信號經(jīng)倍頻細分后，經(jīng)輸出板處理成為矩形信號串，送入數控系統測量板。
而光柵尺柵距為100μm，增量信號經(jīng)過(guò)處理后，每一刻繪產(chǎn)生1μm，這就是機床的分辨率。
3.2加工時(shí)出現周期性波紋
當機床加工過(guò)程中出現了表面出現周期性波紋的情況，觀(guān)察機床，會(huì )看到X軸電機在低速運轉時(shí)出現周期性擺動(dòng)，這是就需要檢查機械和液壓系統是否存在問(wèn)題，若這些部位正常工作，則故障可能出現X軸測量裝置，可以用雙路示波器觀(guān)察掃描單元送出的兩路正弦信號;造成電機低速運轉，且不穩定的原因主要是測量裝置輸出的信號不穩定，而造成測量值失誤，計算機因而送出的指令電壓就不穩定，當更換一個(gè)新的掃描單元后，機床就會(huì )恢復正常工作。
4、結語(yǔ)
雖然光柵測量裝置能達到較高的測量精度，但對操作者的要求也較高。
操作者必須了解光柵測量裝置的工作原理，熟練掌握其使用功能，才能在實(shí)際應用中發(fā)揮出它的優(yōu)勢地位，提高機床的加工精度，有效的進(jìn)行誤差檢測并將誤差控制到最小，以滿(mǎn)足用戶(hù)對加工精度的具體要求。
參考文獻
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