光栅测量装置在数控机床中的应用

李 松，魏明亮

沈阳机床成套设备有限责任公司，辽宁沈阳 110142

伴随当今技术手段的逐渐提高，既往的加工方式已经不能满足对精度的需求，于是数控机床的应用就逐渐加多，同时对于数控机床精度的要求也日渐提高，但是想要根本上实现数控机床精度的提高的关键措施是明确机床出现的定位误差以及利用相应的补偿方法对定位误差给予合理的补偿[1]。应用双频激光测量法以及光栅测量技术两种方法对机床的精度以位移进行精确的测量。前者的精度较后者优越，但要有严格的应用条件，操作繁琐[2]。相对前者而言，后者的应用范围较广，可靠性较高，结构不复杂，花费少，有较强的抗干扰性，应用较广。

针对误差的较好纠正可以利用电子学细分以及数字化处理的方法进行，这样的方法能够增加系统的准确率[3]，同时应用光栅对数控机床进行精度的检测，利用数字脉冲的形式把数据上传至CNC装置，进而达到闭环操控；光栅技术也随着激光的提高而升级，使精度达到微米级的程度，较广的应用于机密机械仪器、以及数控机床等方面。本研究针对数控机床对该方法给予阐述。

1 数控机床误差分析

对数控机床精度的相关元素诸多，必须要对误差的原因进行合理的分析，因病施治，才能提高数控机床的精度。数控机床一般以及对精度形成的影响将误差划分为几种：机床的几何误差、热变形产生的误差以及控制系统的误差等。各个误差在机床进行工作的过程中所占的比例各不相同，往往以几何误差以及热变形误差所造成的影响颇大。

2 光栅测量装置的应用

2.1 基本结构

应用光栅进行测量时主要涉及光栅尺以及读数头两个重要组成部分[4]，前者主要由一些零标记形成，位于数控机床的导轨附近，在定尺的上方安置两个密闭条，这样就可以工作中有杂物的影响而出现读数的差错；后者由光栅、光源、放大电路、透镜以及光电元件等共同构成，往往利用工作台应用灯丝或硅光电此进行操作。

2.2 测量原理

应用的机理是光的衍射，借助相对运动的原理，出现了莫尔条纹信号后，利用读数头以及后续电路转换相应的信号，读取信号。如果长度一样的光栅形成很小的夹角，莫尔条纹与光栅的方向接近垂直的情况[5]。随着线条的相对运动，会出现不同强度的转变，进而合理的分析信号即可得出相对的位移量。

2.3 光栅尺工作原理

由光源、指示光栅以及主光栅等共同构成的光栅的工作机理如下。通过应用莫尔条纹现象来对位移进行衡量的方法来计量光栅，该方式能够高效的测量能力，同时相应的条件较宽松；具体工作的过程中，要把光源置于侧方，如果位移出现于主光栅与指示光栅之间，就会出现强弱不一的莫尔条纹。于是，传感器就医函数曲线的形式把经过放大的信号以脉冲的形式转为脉冲方波，最终对位移给予相应的测量。

2.4 光栅莫尔条纹的辨向

保证光栅测量的重要过程就是光栅信号方向的辨别，随着莫尔条纹出现的正弦曲线的类似变化，光电元件也会随之呈现类似的形态变化；将这样的信号整合成相应的脉冲，最后一数字的形式进行输出，可以利用脉冲的个数对位移量进行确认。

3 光橱测量装置的维护

3.1 Z轴检测信号丢失

数控机床的运行中，如果出现仪器的损耗，就会是零件间隙加宽，甚至出现零件的损坏，这样机器也就出现一定的功能障碍，也就是说，对光栅测量装置进行严格的维护才能保证数控机床顺利的工作[6]。如果出现光栅设备的应用超过一定的年限，就会难以维持测量的准确性。

3.2 加工时出现周期性波纹

如果在数控机床运行的时候表面产生周期性波纹，就要首先对机床进行监测，这时会发现X轴电机产生规律的摆动的现象，要注意机械以及液压系统的运行有否正常运作，运行正常，故障点则位于X轴，利用双路示波器将信号进行传出即可；如出现电机运行速度降低的情况，注意的影响因素是测量装置不能很可靠的输出信号，引起测量数据的不准确，进而影响输出的电压的稳定性，这时可以通过对单元进行更新，变可以使数控机床有效的运行[7]。

4 结论

尽管目前的光栅的测量的仪器已经能够做到拥有相当高的精度，但同时也增加了对于操作者的限制。要求操作者明确该装置的运行的机理，对光栅测量的方法熟练的应用，这样方能在现实的运行中体现该装置的优点，进一步增加数控机床的精度，高效的、及时的对误差进行识别并将其减至尽可能小的程度，为数控机床精度的控制服务。

[1]玉刚.数控技术机械工业出版社，2003.

[2]孙亮.精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计测试技术，2007.

[3]刘焕牢.数控机床几何误差和误差补偿关键技术机械工程师，2003.

[4]Chana Raksiri，Manukid Parni chkun.Geometric and force errors compensation in a 3-axis CNC milling machine[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture，2004，44: 1283-1291.

[5]R.ramesh，M.A.Mannan，A.N.Poo.Error compensateion in machine toolsa review part1:geometric, cutting force induced and fix-ture dependent errors[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2000，40: 1235-1256.

[6]国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.学科发展战略研究报告（2006年-2010年）——机械与制造科学.北京：科学出版社，2006.

[7]Liu X，et al.The mechanics of machining at the macroscale: assessment of the current state of the science [J].ASME J.Manuf.Sci.Eng,2004(126).