郭 烽趙維浩蘇 賓劉麗麗

（1.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司 遼寧沈陽 2.中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司 遼寧沈陽）

在現(xiàn)代數(shù)控機床中，為保證機床加工精度和速度的要求，檢測裝置作為核心部件扮演著重要角色。目前檢測元件主要有光柵尺，編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，測速發(fā)電機等。對于高精度的數(shù)控系統(tǒng)來說，光柵尺是必不可少的檢測元件，由它來測定數(shù)控系統(tǒng)的位置和速度，發(fā)送反饋信號給CNC裝置，它直接影響著數(shù)控機床的加工精度。海德漢光柵尺在機加工設(shè)備中的應(yīng)用最為廣泛，且很具有代表性。

一、光柵尺構(gòu)成與工作原理

1.光柵尺構(gòu)成

德國HEIDENHAIN公司是世界著名的光柵生產(chǎn)廠家，其技術(shù)、品種、產(chǎn)量和市場占有率都居世界領(lǐng)先水平，目前絕大多數(shù)全閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床上均配套該公司的產(chǎn)品。

HEIDENHAIN公司生產(chǎn)的光柵檢測系統(tǒng)，由柵尺部分和EXE(脈沖放大、整形及細分)兩部分組成，如圖1所示。柵尺檢測機床位移并送出位移量和位移方向信號到EXE進行放大、整形和電子細分，最后經(jīng)長線驅(qū)動送入CNC，形成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.光柵尺工作原理

圖1 光柵檢測系統(tǒng)

光柵尺位置測量系統(tǒng)由光源、透鏡、指示光柵、光電元件、信號處理電路以及標尺光柵組成。通常情況下，除標尺光柵外，光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和信號處理電路裝在一個部件內(nèi)，這個部件稱為讀數(shù)頭。光柵尺依據(jù)相對運動的原理來產(chǎn)生光信號，這些信號經(jīng)過光電器件的轉(zhuǎn)換處理后，用來檢測機械裝置的位移，如圖2所示。輸出信號是由光源通過刻在直線尺或盤片的柵格線后，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置的處理產(chǎn)生的。讀數(shù)裝置由光源、刻線玻璃與柵格窗、以及光電二極管接收裝置組成。紅外線光束被光電二極管接收前，先通過有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗間的相對運動回產(chǎn)生正弦波形式的光波，這種光波經(jīng)光電二極管接收后，會轉(zhuǎn)換成最初始的電流正弦波信號，這些電信號的周期與柵距是一樣的。

圖2 光柵尺原理簡圖

二、常見故障分析與處理

1.零件加工后超差

某數(shù)控機床在加工完成后，發(fā)現(xiàn)零件出現(xiàn)超差現(xiàn)象，且機床無任何報警。由于機床無任何報警，且機床采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，在排除機床機械故障的前提下，如出現(xiàn)超差只有可能是系統(tǒng)定位及位置檢測系統(tǒng)故障，即超差所在方向軸光柵尺故障。經(jīng)過分析后，初步判斷為機床位置環(huán)故障即電子光柵尺故障，簡單來說就是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出定位指令，電機還沒有運行到計算位置，然而系統(tǒng)位置由光柵尺決定，此時雖沒有到達預(yù)定位置，但光柵尺認為此時已經(jīng)到達預(yù)定位置，導致零件出現(xiàn)超差。根據(jù)上述分析，此類故障通常都是由于光柵尺或讀數(shù)頭臟污造成的，拆開所在軸護板，檢查光柵尺及讀數(shù)頭外觀，未發(fā)現(xiàn)異常，將光柵尺、讀數(shù)頭拆下后進行清理，重新安裝后故障依然存在，這時判斷是光柵尺或讀數(shù)頭硬件故障，更換讀數(shù)頭后故障依然存在，最后更換光柵尺后故障排除。

2.工作臺移動記錄返回到終點的數(shù)據(jù)不能回零

在測量數(shù)據(jù)過程中丟數(shù)，即工作臺移動全程記錄的數(shù)據(jù)變小，而返回到終點數(shù)據(jù)也不能減計數(shù)到零。根據(jù)以往的經(jīng)驗分析，出現(xiàn)此故障的一個可能是信息處理電路的故障；另一個可能是讀數(shù)頭的故障。首先確定是讀數(shù)頭部分還是信息處理電路的故障。由于只是縱向工作臺移動測量數(shù)據(jù)出錯，其他方向測量數(shù)據(jù)正確，采用的方法是把縱向讀數(shù)頭的信號送到其他方向的信息處理電路，得到的測量數(shù)據(jù)仍然是錯誤的，由此可判斷故障在讀數(shù)頭。

把讀數(shù)頭的外殼打開后，光源燈亮，工作臺移動時也能看到莫爾條紋在光敏元件上上下移動，于是懷疑光敏元件損壞，通過示波器測得差動放大器輸出信號波形幅值較低（＜2.5 V）。換上一個新的光敏元件后，故障依舊。之后發(fā)現(xiàn)透鏡松動，則懷疑透鏡的焦距、焦點改變。透鏡支架上有調(diào)節(jié)透鏡角度的螺釘)，于是調(diào)節(jié)透鏡角度，同時移動工作臺，觀察示波器波形，在改變透鏡角度的過程中，其波形的幅值也隨之改變，調(diào)節(jié)在一個最佳位置，使其波形幅值最大，此時測量數(shù)據(jù)也正確了。將透鏡緊固后，故障排除。由分析得知，由于透鏡的松動，使焦點的位置改變，雖然能看到莫爾條紋移動，但是光強的差別變小而使波形的幅值變小，從而使得記錄數(shù)據(jù)的過程中出現(xiàn)丟數(shù)故障。

3.直線軸在運行中報警

某數(shù)控機床的直線軸在運行中出現(xiàn)報警。由于振動或其他原因，造成機床在使用中讀數(shù)頭與光柵刻度尺間距變大，數(shù)控系統(tǒng)誤認為光柵尺已壞所致。

按光柵尺說明書的要求調(diào)整讀數(shù)頭與光柵尺的距離。讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1～1.5 mm，最好不超過2 mm。光柵尺的安裝位置不合適，如安裝在油池附近，油氣等將光柵尺污染，這時要分別清潔光柵尺的定尺和動尺，在安裝之后再進行光柵尺的調(diào)試才可使用。讀數(shù)頭的位置安裝不合適，造成讀數(shù)頭損壞，更有甚者，光柵尺定尺內(nèi)出現(xiàn)鋁合金碎屑，光柵刻線出現(xiàn)損壞，造成光柵尺定尺的徹底報廢。

三、結(jié)束語

光柵尺是數(shù)控機床的主要部件，在保證機床高精度運行過程中起著至關(guān)重要的作用，并且造價昂貴。因此，在對光柵尺進行維修的過程中，一定要慎之又慎，避免在維修過程中對光柵造成二次損傷，給公司造成無可挽回的經(jīng)濟損失。