数控机床中光栅测量装置的应用
数控机床中光栅测量装置的应用
摘要：随着我国数控机床的不断发展和壮大，我国的机床逐渐走向了高端、精细化行业，所以生产过程中的测量问题成了至关重要的一步，文章针对当前测量装置的现有技术，分布探讨了机床中的光栅测量的装置，重点对测量装置的应用和测量装置的维护两个方面做了比较详细的分析和研究。
关键词：测量仪光栅装置应用分析
测量机属于精密仪器，选择安装地点时，要考虑机器类型、外型尺寸、机器重量、结构形式、周围环境，如振动情况、温度条件、适合的吊装，辅助设备如：合适的气源、电源的安排等。
安装测量机最合适的地方是温度、湿度和振动等都可以被稳定控制的房间，一般不适于有阳光的直射方向，最好朝向为北向或没有窗户，因为阳光对于室内的温度有影响，不利于温度的控制，本文重点对数控机床中的光栅测量的装置问题进行了探讨和研究。
1、数控机床中测量装置的技术分析
当前最为先进的测量技术都是采用材料累加原理，以光敏树脂为原材料，导入三维图利用Magics软件进行编程数据处理，能在很短的时间内直接制造产品样品，无须传统的机械加工机床和模具。
设计者可以把快速成型出来的实体手板样件对设计方案进行评定，对产品功能进行验证，经过模拟试验进行生产可行性评估，根据用户对设计方案的反馈信息，对设计方案再进行修改和再验证，这样可以得到工作性能和经济性能优良的设计方案，既节省了设计费用，又缩短了产品研制周期。
它的最大的特点是制作过程和制作成本不受样件本身的复杂程度影响，真正实现了想得到，做得到。
光栅快速成型机的具有成型速度快、精度高和表面质量好等特点。
目前由上海沪量测量公司研发的RS系列SLA激光快速成型机通过了高新技术成果论定，是国内快速成型制造设备的典型代表之一。
RS系列激光快速成型设备采用国际上最先进的激光快速成型工艺Stereo Lithography(SL)。
SL工艺是机械、激光、光化学、软件、控制技术的结晶,它是基于光敏树脂受紫外光照射凝固的原理,计算机控制激光逐层扫描固化的截面是由零件的三维CAD模型软件分层得到，直至最后得到光敏树脂实物原型。
目前快速成型技术已经在汽车、航空、航天、电子、家电、工业设计以及高等教育等国民经济的主战场得到广泛应用。
公司研发生产的SLA激光快速成型机已出口多个国家和地区，产生了显著的社会效益，应用前景十分广阔。
2、光栅测量装置的应用
2.1测量原理
光栅测量是利用光的衍射原理，通过叠放的光栅的相对运动，产生与之同步移动的莫尔条纹信号，然后通过读数头与后续电路，将导轨、工作台的位置等信号转变成信号读出来，其读数分辨率可达5nm。
当两块相同的长光栅跌合，如果栅线的夹角很小时，莫尔条纹的方向与光栅条纹方向近似垂直。
光栅盘上黑白刻线的相对移动，会产生光强度周期性变化，此光信号经光电池转换成为周期性的电信号，对电信号进行分析处理，就可获得光栅相对移动的位移量。
2.2光栅尺工作原理
光栅由光源、主光栅、指示光栅及光电元件所组成。
其中计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移，这种方法具有测量精度高，对测量时的相对约束小等优点;在测量过程中，要将光源放置在主光栅的侧面，光电元件放置在指示光栅的侧面，当主光栅与指示光栅发生相对位移时，由于光源的照射造成两光栅尺的线纹相交，从容产生了明暗相间的莫尔条纹。
光栅传感器会产生近似正弦函数的曲线，指示光栅的光元件将这种放大信号进行整合，输入脉冲信号，最终形成了两路相角相差90°的脉冲方波，从而进行测量位移的大小和方向。
2.3光栅莫尔条纹的辨向
光栅信号的辨向是实现光栅动态测量的关键步骤，因为莫尔条纹的光强度近似呈正弦曲线变化，所以光电元件所感应的光电流也会成为近似正弦曲线的规律变化;对于这种信号，经过放大、整合后会形成脉冲，最终转换成数字信息输出，可以根据脉冲的个数确定位移量。
在测量中，可以利用计数器的`脉冲数的增加和减少来辨别莫尔条纹的移动方向，如果输入可逆计数器的脉冲数累加，则莫尔条纹向正向移动，如果输入可逆计数器的脉冲数减少，则莫尔条纹反向移动。
因此，在光栅的动态测量时，一定要掌握光栅条纹的辨向。
3、光栅测量装置的维护
3.1 Z轴检测信号丢失
在数控机床工作过程中，由于设备磨损，导致零件间隙过大，或者零件损坏，都会产生机器故障，因此在数控机床工作期间要做好光栅测量装置的维护工作，及时在设备运行中发现问题。
当光栅测量装置使用时间过长，可能会出现零件老化等问题，出现信号丢失，没有将这些数据读入设备，最终导致测量出现错误，为了保证测量过程中信号不会丢失，就要做好光栅测量装置的维护。
在机床工作的过程中，从扫描单元输出三组信号，其中两组增量信号由四个光电池产生，把两个相差180°的光电池连接在一起，他们的推挽就会形成两组近似正弦波，相位相差90°的信号串;另外一组基准信号也由两个相差180°的光电池接成推挽式，输出一个尖峰信号，这个信号智慧在晋国标志时，产生，用来确认机床的基准点。
两组正弦波增量信号经过放大整形后成为三角波信号串，这些信号分频后会在一个信号周期中产生多个脉冲，即所谓的倍频处理。
增量信号经倍频细分后，经输出板处理成为矩形信号串，送入数控系统测量板。
而光栅尺栅距为100μm，增量信号经过处理后，每一刻绘产生1μm，这就是机床的分辨率。
3.2加工时出现周期性波纹
当机床加工过程中出现了表面出现周期性波纹的情况，观察机床，会看到X轴电机在低速运转时出现周期性摆动，这是就需要检查机械和液压系统是否存在问题，若这些部位正常工作，则故障可能出现X轴测量装置，可以用双路示波器观察扫描单元送出的两路正弦信号;造成电机低速运转，且不稳定的原因主要是测量装置输出的信号不稳定，而造成测量值失误，计算机因而送出的指令电压就不稳定，当更换一个新的扫描单元后，机床就会恢复正常工作。
4、结语
虽然光栅测量装置能达到较高的测量精度，但对操作者的要求也较高。
操作者必须了解光栅测量装置的工作原理，熟练掌握其使用功能，才能在实际应用中发挥出它的优势地位，提高机床的加工精度，有效的进行误差检测并将误差控制到最小，以满足用户对加工精度的具体要求。
参考文献
[1]孙亮.精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计[J],测试技术,2011.
[2]刘焕牢.数控机床几何误差和误差补偿关键技术[J],机械工程师,2010.
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