光柵尺的設(shè)計及加工工藝的參考.doc

摘 要隨著數(shù)控機床在機床制造領(lǐng)域的普及，現(xiàn)代機床在加工速度、加工精度和可靠性方面都有了很大的提高。機床用光柵測量元件和數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的兩大核心部件，清楚地了解他們的發(fā)展趨勢，對機床制造商和最終用戶都有非常重要的意義。本文依據(jù)對海德漢光柵尺拆解后測繪的尺寸，利用solidworks2009對其進行了實體建模，并對光柵尺加工及安裝工藝進行了研究和探討。同時，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量精度的方法。第1章 緒 論1.1引言在經(jīng)濟危機席卷全球的形式下，中國光柵尺制造商面臨產(chǎn)品升級，尋求新發(fā)展的重要時期，制造出高性能光柵尺是光柵尺制造商共同的目標。實現(xiàn)該目標與很多因素都相關(guān)，本文僅從高性能機床所需的兩個關(guān)鍵部件人手，介紹其最新發(fā)展供大家參考。結(jié)合HEIDENHAIN公司的在測量技術(shù)方面的深人研究，著重強調(diào)了光柵尺精度和測量技術(shù)的最新發(fā)展，包括:(1)單場掃描技術(shù)；(2) 光柵測量技術(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)友好人機界面。1.2光柵測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及水平光柵數(shù)字測量系統(tǒng)是數(shù)顯機床、數(shù)控機床和測量機的重要組成部分，是由光柵傳感器和光柵倍頻器(插補和數(shù)字化電子裝置)組成。光柵傳感器是作為位移測量元件，光柵倍頻器是對光柵信號進行電子細分和數(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)上的光柵作為測量標準，并通過光電掃描進行分度，編碼器的精度和溫度特性可以通過刻劃和選擇載體來優(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)臺的角度測量部件)。對于編碼器的結(jié)構(gòu)又分為開啟式的和封閉式的。它是以測量各個坐標的位移來實現(xiàn)對設(shè)備的數(shù)顯和數(shù)控，因此測量系統(tǒng)的精度就決定了設(shè)備的精度。目前光柵數(shù)字測量系統(tǒng)的精度已有微米級、亞微米級和納米級三個檔次。光柵測量系統(tǒng)的長處是性能穩(wěn)定、可靠性好、精度高、測量范圍大、使用方便、價格適中，和其他測量系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)勢，在當今國際市場上光柵測量系統(tǒng)要占到80%以上。目前光柵測量系統(tǒng)的側(cè)量步距已達1nm(0.001m)，準備度到達0.5m，測量長度已達30m最大移動速度已達480/min，最大加速度已達250m/s2，最大傳輸距離達150m。目前全世界能制造光柵測量系統(tǒng)的國家除我國外還有德國、日本、美國、英國、西班牙、奧地利、意大利、俄國、韓國和印度等，估計年產(chǎn)量超過70萬坐標，其中以德國海德漢公司為最著名，半個世紀以來其技術(shù)、品種、產(chǎn)量都絕對領(lǐng)先于其他國家。其各個品種的增長率分別為: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 課題來源及研究意義1.3.1課題來源20世紀50年代是數(shù)控機床的起步階段。當時傳統(tǒng)的機床越來越難以滿足加工業(yè)的雙高需求高精度和高效率。因此對傳統(tǒng)機床的改進顯得尤其重要。近幾十年來，美國、德國等國家先后在研制性能優(yōu)良的數(shù)控機床上投入了大量的人力和物力。數(shù)控系統(tǒng)和機床的測量系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵部件。尤其是機床的測量系統(tǒng)，它是保證機床高精度的前提條件。斷演變和發(fā)展的過程。近年來光柵測量系統(tǒng)在數(shù)控機床上的使用占具主要的地位。光柵測量系統(tǒng)的分辨率高達納米級，測量速度高達480m/min,測量長度高達百米以上。由于這些無可比擬的優(yōu)點，高精度、高切削速度的數(shù)控機床無疑要采用光柵測量系統(tǒng)。20世紀50年代德國HEIDENHAIN公司的Johannes Heidenhain博士發(fā)明了DIADUR工藝在玻璃機體上鍍鉻的光刻復制工藝。該工藝后來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。近年來光柵測量系統(tǒng)在數(shù)控機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量精度的方法，和適于高速高精度的測量以及仿海德漢光柵尺的設(shè)計及加工工藝。1.3.2研究意義測量廣泛存在于國民經(jīng)濟的各個部門和人民生活的各個方面。自然科學所闡明的一般規(guī)律、定理、定律，往往都是以測量為基礎(chǔ)。在現(xiàn)代科學技術(shù)中，測量技術(shù)的地位越來越重要，小到納米級的金相分析，大到船舶制造和橋梁建設(shè)，精到衛(wèi)星的發(fā)射，都必須進行測量。從某種意義上說，沒有測量就沒有科研，就沒有現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。而在目前時期，光柵測量是最主要的測量方式之一，光柵尺精度高、可靠性強、結(jié)構(gòu)簡單，在機床、二坐標和大量程直線測量設(shè)備中應用比較廣泛。光柵尺在現(xiàn)代工業(yè)的貢獻也是非常巨大的，不僅僅將現(xiàn)在加工精度進一步完善，更重要的是提高了現(xiàn)在加工時的工作效率。在現(xiàn)在中國加工業(yè)、制造業(yè)越來越成熟，對加工的精度越來越高的時候，在各種機床上，例如：銑床、磨床、車床、線切割、電火花等機床上都可以安裝光柵尺，其工作環(huán)境要求相對來說不是很苛刻，對操作者的使用來說也十分簡單。在數(shù)控機床中，HEDENHAIN光柵尺是最先進的測量工具。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)品被廣泛應用于機床、自動化機器，尤其是半導體和電子制造業(yè)等領(lǐng)域。對于數(shù)控機床，單純追求高準確度的光柵尺是不夠的，還要選擇光柵尺的信號周期大小及設(shè)定控制系統(tǒng)的細分份數(shù)，使數(shù)控機床有合適的分辨率，同時還要選擇合適的機械安裝結(jié)構(gòu)。要進一步提高數(shù)控機床的整體精度，還要對機床進行線性補償、非線性補償甚至幾何精度補償?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（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置（如圖2-1）。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應用于機床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。例如，在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。圖2-1 光柵尺的外觀光柵尺只是一個反應裝置，它可以將位移量和位移方向通過信號輸出的方式反饋出來，但它不能直接顯示出來，它還需要一個顯示裝置，我們簡稱它為數(shù)顯顯示箱，也稱數(shù)顯表。只有當光柵尺和數(shù)顯表連接在一起的時候，才能正常的將數(shù)值反應給每一位操作者，因而，我們對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，才能單獨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尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床活動部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機床固定部件上，指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)光柵檢測裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機構(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)特點和使用場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行工作的。當使指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠的區(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，使得擋光效應變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(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，當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度，并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時，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)。嚴格地說，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)：當用平行光束照射光柵時，透過莫爾條紋的光強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： 無需復雜的光學系統(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重要特點。由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對光柵個別線紋之間的柵距誤差具有平均效應，能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動相對應。兩光柵尺相對移動一個柵距d，莫爾條紋便相應移動一個莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵尺相對移動的方向垂直，且當兩光柵尺相對移動的方向改變時，莫爾條紋移動的方向也隨之改變。2.2 檢測與數(shù)據(jù)處理光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。高分辨率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進行細分，目前（2006年）光柵尺位移傳感器系統(tǒng)多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量在一個莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個光電器件就能實現(xiàn)電子細分與判向功能。例如，柵線為50線對/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細分后便可得到分辨率為5m的計數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。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放構(gòu)成的差分放大器。由4個光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為/2，為得到判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過對方波的相位進行判別比較，就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。 2.3 車間級測量對光柵尺的要求測量室為精密測量提供了優(yōu)良的環(huán)境，也帶來了一系列問題: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)過程中控制生產(chǎn)流程，便有了“庫間級測量或在線測量”。測量結(jié)果可實時影響生產(chǎn)流程的控制，從而實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)工序和規(guī)劃的目的。與此同時，車間級測量劉一測量設(shè)備的要求也隨之凸現(xiàn)。測量機在生產(chǎn)車間中需要適應溫度、振動、污染等環(huán)境要求。測量機的生產(chǎn)廠家一致認為，任何相對于DIN102標準中確定的參考溫度20溫度誤差都會導致測量機和被測下件的長度和角度變化，這此變化必須被折算回參考溫度。而測量設(shè)備(光柵尺、編碼器)的可定義的、高重復性的熱性能是進行折算的必要條件。未來的坐標測量機國際標準(ISOTC213-WG10）為此將更為重視測量設(shè)備的膨脹系數(shù)及其允許的誤差范圍。作為測量機的測量基準，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。如果計算所采用的膨脹系數(shù)小準確，僅幾度的溫度變化就會造成數(shù)微米的測量誤差。為了獲得膨脹系數(shù)的精確數(shù)值，可使用專用“膨脹計”。用該設(shè)備通過測量材料樣品來精確地確定光柵尺材料的真實膨脹系數(shù)。例如用于測量棒狀材料的測試臺就屬這類設(shè)備。這樣獲得的精確熱膨脹系數(shù)可以作為真實值用于測量機的長度補償計算。實際在更多情況下，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，補償?shù)牟淮_定性從一開始就存在。只有掌握相應的信息、正確地選擇材料、滿足熱力學條件，才能良好地應對熱變形。由于不同的原材料在溫度變化時的膨脹程度不同，而且達到新溫度的速度也不同，所需的溫度和精度補償都相當復雜。為了從一開始就避免將補償計算建立在錯誤測量值的基礎(chǔ)上，一定要采用熱穩(wěn)定的光柵尺。車間型測量機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，同時其抗老化性能極好。正確選擇光柵尺可以提高測量機的性能，對測量機的可靠性起著決定性的作用。在車間級測量機領(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)點間精度高；（2高抗污染能力保證無故障測量；（3長時間的高可靠性；價格低廉。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)計是海德漢LIDA400型開放式增量光柵尺的標志性特點。這些特點使得它特別適合于自動化和電子行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、直接驅(qū)動應用和測量設(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用領(lǐng)域。新款LIDA400同樣也適用于在車間級測量機上使用。背面固定的粘接層PRECIMEI可以實現(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)有的標準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更換尺體來升級測量機變得十分方便。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污染極不敏感，另一方面非常標準的掃描信號也允許對信號進一步高倍細分。LIDA400系列光柵尺的柵距為20m,可選1Vpp或TTL輸出信號。最大測量長度可長達30m（鋼帶)或3m(玻璃和玻璃陶瓷）。允許測量速度可達480m/min。光柵可以配備參考點，也可集成磁限位開關(guān)。熱膨脹問題可以在保持讀數(shù)頭型號統(tǒng)一的前提下，通過選擇合適的光柵尺體材料來解決。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量機或其他車間級設(shè)備的測量需求。第3章 仿海德漢光柵尺實體建模及工藝設(shè)計3.1 海德漢光柵尺3.1.1 海德漢編碼器德國（HEIDENHAIN）海德漢編碼器精度可達0.5m或更高，測量步距可達0.001mm，測量長度可達30m，讀數(shù)頭與光柵尺間無摩擦，尺寸緊湊和重量輕，運動速度快，封閉式直線光柵尺有：標準光柵尺外殼，用于高振動頻率，最大測量長度30m；纖細光柵尺外殼，適用于優(yōu)先安裝空間，最大測量長度達1240mm配安裝板或緊固原件可使最大測量長度達2040mm。海德漢封閉式直線光柵尺的鋁外殼可以有效保護光柵尺，讀數(shù)頭和導軌免受灰塵，切屑和切削液的影響。自動向下壓的彈性密封條保持外殼密封，讀數(shù)頭運動導軌的摩擦力很小，導軌在光柵尺內(nèi)，讀數(shù)頭通過一個連軸器與外部安裝加連接，聯(lián)軸器可以補償光柵尺和機床導軌之間不可避免的對正誤差，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（1）最先進可靠的光學測量系統(tǒng)，采用可靠耐用的高精度五軸承系統(tǒng)設(shè)計，保證光學機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)異的重復定位性和高等級測量精度。（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。 （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。（6）采用先進的光柵制作技術(shù)，能制作各規(guī)格的高精度光柵玻璃尺（最長可做到3000mm）。3.2 光柵尺的選擇標準3.2.1 以精度指標選擇光柵尺評價數(shù)控機床的重要指標是機床的精度。高精度的機床選擇高準確度等級的光柵尺是必然的。光柵尺的準確度與光柵尺的分辨率是兩個概念。準確度指光柵尺的光柵條紋位置淮確程度。要達到高誰確度，不但要求每條光刻條紋位置準確，而且要求每條光柵條紋均勻一致，邊緣清晰。高準確度的光柵對制造商的生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備要求非常高。如德國HEIDENHAIN公司在地下15m處建立了一個無塵、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確度和精度。分辨率是評價光柵的另一指標。我們知道，掃描光柵與帶尺光柵每相對移動一個柵距，便產(chǎn)生一組交變的正弦信號。這組信號就是光柵尺輸出的原始信號。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，首先要選擇信號周期小的光柵尺。這樣，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，使系統(tǒng)的速度、加速度和頻響速度(截止頻率)達到較高的水平。光柵尺的分辨率和準確度是不同的，但卻是相輔相成的。高準確度的光柵尺其原始信號周期也較小。信號經(jīng)過細分，就會有細分誤差。細分誤差是光柵尺原始信號周期內(nèi)的誤差，因而它也是一個具有周期性的誤差信號。該誤差過大會造成伺服系統(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，相對的細分誤差就會較大。3.2.2 以效率指標選擇光柵尺目前的光柵尺多為增量式。因而，每個光柵尺都有參考標記信號。采用增量式光柵尺，在機床斷電再開機或機圖5絕對式尤栩床重新啟動時，通常要慢慢移動到光柵尺刻有參考標記的位置處，光柵尺的電氣類數(shù)控系統(tǒng)找到參考標記并記憶該位置。過去的光柵尺通常都有一個固定的參考點標記。如果機床行程很長，找參考點就占據(jù)了大量時間。為了減少數(shù)控機床的非加工時間，最好機床在開機時就感知到參考點的位置或已知機床坐標軸所處的位置。為了實現(xiàn)這一功能，HEIDENHAIN公司在參考標記上做了很多改進。圖4示出帶距離編碼的參考標記的光柵尺片段。每20mm距離有三個參考標記，分為一組。每組參考標記中的中間標記與前一點的標記距離與其他組不同，并且是惟一的。帶有這種參考標記的光柵尺通常要與數(shù)控系統(tǒng)約定好。機床每移動超過一組參考標記的距離，便可從中間點距第一點的惟一距離計算出所處的坐標位置。換句話說，機床只要移動20mm以上的距離，便可以確定位置。實現(xiàn)了快速返回參考點的目的。絕對式光柵尺開機便可確定參考點的位置。圖5為絕對式光柵尺的測量原理圖。絕對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掃描光柵和帶尺光柵的光強信號，并將其轉(zhuǎn)換成二進制的電信號。數(shù)控系統(tǒng)與光柵尺接口間有一定的通信協(xié)議，將二進制編碼轉(zhuǎn)換成機床坐標軸的位置信息。HEIDENHAI公司研制的3m長的絕對式光柵尺實現(xiàn)了分辨率0.1 m。絕對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，傳感器或碼尺是測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件.碼尺一般安裝于機床不顯著的部位(有時是以密封方式安裝的)。在加工過程中，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.現(xiàn)有碼尺的種類主要是以采用的材料和產(chǎn)生電信號的楊理原理來決定的.磁尺采用金屬材料，而光柵尺的工作原理則是通過玻璃上的鍍鉻線條把紅外光轉(zhuǎn)換為電信號。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，例如一般為。.2mm，因此，要達到百萬分之50英寸的分辨率則要采用大的細分數(shù)，相反光柵尺由于采用了鍍鉻工藝，可以得到較細的柵距，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柵距的磁柵要達到百萬分之50英( 0.00125mm)分辨率需要采取200細分.，而上述柵距的光柵尺要達到相同的分辨率則只要8細分即可.內(nèi)插(細分)精度的一般可接受的原則是信號的細分數(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)條件再檢驗一次。鍍鉻前應擦洗玻璃片并放入清冼機清洗.鍍鉻工藝采用兩種型號的鍍鉻系統(tǒng).在濺射式鍍鉻系統(tǒng)中，玻璃片重疊地放在運送托架上，運送托架從下通過鍍鉻系統(tǒng)中真空腔的鉻靶，鉻靶是帶電荷的，因此向下散射鉻原子，當精確地控制時，玻璃片上的鉻層(單邊)是很均勻的.當玻璃尺上的線距較小時，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，然后從下進行爆光.已經(jīng)爆光后的玻璃片放在化學溶劑中定形和腐蝕，在這個關(guān)鍵性的步驟中為了保證精度，應采用嚴格的環(huán)境條件和機械控制裝置.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上刻制的，刻線機裝在地下150英尺(45米)深的巖石基礎(chǔ)上，刻線精度可達百萬分之幾英寸(約。.125tm/1000mm),該公司研制母光柵已有15年以上經(jīng)驗.3.3.5 質(zhì)量保證每根光柵尺都需經(jīng)過嚴格檢驗以保證達到規(guī)定的精度標準.以下簡要介紹有關(guān)光柵尺制造過程中所用的檢驗設(shè)備。(1)光學性能檢驗機用于檢驗光柵尺的光學性能的質(zhì)量.一臺由計算機控制的光學質(zhì)量掃描檢驗機用于在光柵尺全長上檢驗光線傳邏性能，它能檢驗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)過檢驗后符合要求的光柵尺切割成所需要的長度尺寸裝入壓制鋁盒中。(2)精度檢驗機裝配好的光柵尺需進行精確度檢驗.光柵尺的全長檢驗是由計算機控制的激光干涉儀上進行的。Acu-Rite生產(chǎn)的每一光柵尺都經(jīng)過上述扮驗，并在出廠時帶有檢驗報告單提供用戶使用。(3)光柵尺裝配經(jīng)過檢驗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級精確度和重復性將機床導軌的機械位移量轉(zhuǎn)為電信號。(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)頭裝在一個沿著光柵尺滑動的耐磨盒子中，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)，它能補償由于安裝或工作臺移動不準確而引起的誤差，因而能保持讀數(shù)頭的正確運動軌跡和系統(tǒng)的精度。由光柵尺和讀數(shù)頭組J:I (t J尤姍傳感器尚需進行最后檢驗以保證其機械和電子性能，經(jīng)過終檢后的光柵傳感器配上相應的讀數(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)顯測量系統(tǒng)是一種能自動檢測和自動顯示的光機電一體化產(chǎn)品，是改造舊機床，裝備新機床以及各種長度計量儀器的重要配套件，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)顯測量系統(tǒng)具有精度高，安裝及操作容易，價格低，回收投資快等優(yōu)點而得到大量使用。3.4.1 結(jié)構(gòu) 開啟式傳感器的標尺光柵裸露在外，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入尺體中。電氣連接線經(jīng)過緩沖電路進入傳感頭，然后再通過能防止干擾的電纜線送進光柵數(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精確定位的微型滾動軸承沿導軌運動，保證運動中指示光柵與主柵尺之間保持準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相對運動的兩個部件上，實現(xiàn)主光柵尺與指示光柵之間的運動進行線性測量。3.4.2 基本原理 光柵位移傳感器的工作原理，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進行相對位移時，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，再經(jīng)過放大器放大，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，可安裝在機床的不同部位。 一般將主尺安裝在機床的工作臺（滑板）上，隨機床走刀而動，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，則必須增加輔助密封裝置。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應盡量安裝在相對機床靜止部件上，此時輸出導線不移動易固定，而尺身則應安裝在相對機床運動的部件上（如滑板）。(1)安裝基面 安裝光柵線位移傳感器時，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床身上，更不能安裝在打底涂漆的機床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上，移動工作臺，要求達到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。如果不能達到這個要求，則需設(shè)計加工一件光柵尺基座?；笞龅剑簯右桓c光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出光柵尺50mm左右）。該基座通過銑、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，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達到讀數(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螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上，但不要上緊，把千分表固定在床身上，移動工作臺（主尺與工作臺同時移動）。用千分表測量主尺平面與機床導軌運動方向的平行度，調(diào)整主尺M4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時，把M2螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時，應注意如下三點：1）在裝主尺時，如安裝超過1.5M以上的光柵時，不能象橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個主尺尺身中有支撐。 2）在有基座情況下安裝好后，最好用一個卡子卡住尺身中點（或幾點）。3）不能安裝卡子時，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，首先應保證讀數(shù)頭的基面達到安裝要求，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，一定要在機床導軌上安裝限位裝置，以免機床加工產(chǎn)品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購光柵線位移傳感器時，應盡量選用超出機床加工尺寸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，移動工作臺，觀察數(shù)顯表計數(shù)是否正常。在機床上選取一個參考位置，來回移動工作點至該選取的位置。數(shù)顯表讀數(shù)應相同（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。 通過以上工作，光柵傳感器的安裝就完成了。但對于一般的機床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應附帶加裝護罩，護罩的設(shè)計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（1）光柵傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時應關(guān)閉電源后進行。 （2）盡可能外加保護罩，并及時清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異物進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。（4）為延長防塵密封條的壽命，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） 光柵傳感器嚴禁劇烈震動及摔打，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，更不能任意改動主柵尺與副柵尺的相對間距，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摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報廢。（8） 應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，引起測量誤差。（9） 光柵傳感器應盡量避免在有嚴重腐蝕作用的環(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)顯表電源保險絲是否熔斷。3）供電電壓是否 符合要求。（2） 數(shù)顯表不計數(shù) 1）將傳感器插頭換至另一臺數(shù)顯表，若傳感器能正常工作說明原數(shù)顯表有問題。2）檢查傳感器電纜有無斷線、破損。（3） 數(shù)顯表間斷計數(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，光柵尺是否被污染。2）插頭與插座是否接觸良好。3）光柵尺移動時是否與其他部件刮碰、摩擦。4）檢查機床導軌運動副精度是否過低，造成光柵工作間隙變化。（4） 數(shù)顯表顯示報警 1）沒有接光柵傳感器。2）光柵傳感器移動速度過快。3）光柵尺被污染。（5）光柵傳感器移動后只有末位顯示器閃爍 1）A或B相無信號或不正常只有一相信號。2）有一路信號線不通。3）光敏三極管損壞。（6）移動光柵傳感器只有一個方向計數(shù)，而另一個方向不計數(shù)（即單方向計數(shù)）。1）光柵傳感器A、B信號輸出短路。2）光柵傳感器A、B信號移相不正確。3）數(shù)顯表有故障。（7）讀數(shù)頭移動發(fā)出吱吱聲或移動困難 1）密封膠條有裂口。2）指示光柵脫落，標尺光柵嚴重接觸摩擦。3）下滑體滾珠脫落。4）上滑體嚴重變形。（8）新光柵傳感器安裝后，其顯示值不準 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 提高光柵尺測量精度的有效方法光柵尺精度高、可靠性強、結(jié)構(gòu)簡單，在機床、二坐標和大量程直線測量設(shè)備中應用比較廣泛。日前對其信號的檢測有了非常簡單、可靠的電路。其中有一種方法利用一片CAL和一片單片機2051就實現(xiàn)了光柵尺的計數(shù)細分和辨向。該法用CAL先對光柵尺的兩相相差90。的方波信號觸發(fā)整形，然后采用組合時序邏輯實現(xiàn)四倍頻的正向和反向脈沖信號，分別從不同的引腳輸出，最后把這兩個信號分別送入單片機2051的兩個定時/計數(shù)器端口T0。計數(shù)值T0與T1的代數(shù)和，即是綜合考慮了光柵尺正反運動后的絕對位移。這種方法和其他方法一樣，沒有充分利用光柵尺的多零位信息，存在以下缺點。（1)雖然消除了光柵尺的抖動干擾，卻無法根除光柵尺在大噪聲背景下引進的累積誤差；（2)由于沒有利用零位信號，一旦中途斷電停機，再次測量時必須利用量塊或基座重新標定光柵尺的絕對位置。引入光柵尺的多零位信息可以有效地解決這些問題，其實質(zhì)是當光柵尺通過零位時，使所有計數(shù)器值清零。這種方法必須解決以下問題:（1)光柵尺通過零位信號的方向和次數(shù)；（2)消除因光柵尺在零位附近抖動出現(xiàn)對零位信號的誤判。本文采用在非零位處處理光柵尺計數(shù)值以及利用零位信號對光柵尺計數(shù)值自動糾錯的方法，有效地解決了這些問題。4.1.1 引進零位信號后的光柵尺計數(shù)方法光柵尺每隔一定距離有一道特殊的零位刻線，每當運動到該位置時讀數(shù)頭發(fā)出一個零位信號，將該脈沖信號在CAL中經(jīng)過整形后，送至單片機的外部中斷INTO口(如圖4-1）。圖4-1 光柵尺計數(shù)電路圖圖中A,B為相位相差1/4周期的方波信號，Z為零位信號，CP-,CP+為四倍頻的正向和反向脈沖信號，/Z為經(jīng)過反向后的零位信號。T0，T1為計數(shù)器端口，其中計數(shù)值為無符號數(shù)，即始終有T01，T11。/Z信號引入IN To后，當光柵尺通過零位刻線時，可在外部中斷了程序中對計數(shù)器清零。設(shè)光柵尺兩零位刻線間的距離相當于N個計數(shù)脈沖，則從零位開始的這段距離內(nèi)滿足-N T0-T1N。其中T0為正向脈沖計數(shù)值，T1為反向脈沖計數(shù)值.如果光柵尺在某段內(nèi)產(chǎn)生了累積誤差，通過零位刻線后，計數(shù)值被自動清零，計數(shù)重新開始，上一段內(nèi)產(chǎn)生的累積誤差被自動清除，不影響當前段的計數(shù).圖4-2 (a) ,(b)分別為步進電機驅(qū)動光柵尺前進20000步、后退20000步時，引入清零信號后的計數(shù)值T0-T1變化情況，這里N=10000。(a) 光柵尺前進計數(shù)值(b) 光柵尺后退計數(shù)值圖4-2 步進電機運動的變化4.1.2 引進零位信號后的光柵尺絕對位移計算引進零位信號后，對光柵尺絕對位移的計算關(guān)鍵是要準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)。如果脈沖計數(shù)絕對準確，那么光柵尺停留在零位時，滿足T0-T1=N,T0-T1=-N中的一種情況。此時也是零位信號發(fā)出的時刻，因而T0、T1計數(shù)器在此刻要被自動清零