光(guang)柵(zha)(zha)(zha)尺(chi)是(shi)由標(biao)尺(chi)光(guang)柵(zha)(zha)(zha)和光(guang)柵(zha)(zha)(zha)讀(du)數(shu)頭兩部分組成。標(biao)尺(chi)光(guang)柵(zha)(zha)(zha)一(yi)般固(gu)定在機床固(gu)定部件上,光(guang)柵(zha)(zha)(zha)讀(du)數(shu)頭裝(zhuang)在機床活動部件上,指示光(guang)柵(zha)(zha)(zha)裝(zhuang)在光(guang)柵(zha)(zha)(zha)讀(du)數(shu)頭中。右圖所示的(de)(de)就是(shi)光(guang)柵(zha)(zha)(zha)尺(chi)的(de)(de)結構。
光(guang)柵(zha)檢測裝置的關(guan)鍵部分(fen)是光(guang)柵(zha)讀(du)數(shu)頭(tou),它由光(guang)源(yuan)、會聚透鏡、指示光(guang)柵(zha)、光(guang)電元件及調(diao)整機構(gou)等組成(cheng)。光(guang)柵(zha)讀(du)數(shu)頭(tou)結構(gou)形(xing)式很(hen)多(duo),根據讀(du)數(shu)頭(tou)結構(gou)特(te)點和使用場合分(fen)為直接(jie)接(jie)收(shou)式讀(du)數(shu)頭(tou)(或稱硅光(guang)電池讀(du)數(shu)頭(tou)、鏡像式讀(du)數(shu)頭(tou)、分(fen)光(guang)鏡式讀(du)數(shu)頭(tou)、金屬光(guang)柵(zha)反射(she)式讀(du)數(shu)頭(tou))。
莫爾條紋
以透射(she)光柵(zha)為例,當指示(shi)光柵(zha)上(shang)的(de)線紋(wen)(wen)(wen)和標(biao)尺光柵(zha)上(shang)的(de)線紋(wen)(wen)(wen)之(zhi)間形成一個小角度θ,并且兩(liang)(liang)個光柵(zha)尺刻面相對平行放置時(shi),在光源的(de)照射(she)下,位(wei)于(yu)幾乎(hu)垂直的(de)柵(zha)紋(wen)(wen)(wen)上(shang),形成明暗(an)相間的(de)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)。這種(zhong)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)稱為“莫(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)”(右圖所示(shi))。嚴格地說,莫(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)排列的(de)方向是與兩(liang)(liang)片(pian)光柵(zha)線紋(wen)(wen)(wen)夾角的(de)平分線相垂直。莫(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)中(zhong)兩(liang)(liang)條(tiao)(tiao)亮紋(wen)(wen)(wen)或(huo)兩(liang)(liang)條(tiao)(tiao)暗(an)紋(wen)(wen)(wen)之(zhi)間的(de)距離稱為莫(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)的(de)寬度,以W表示(shi)。
W=ω/2*sin(θ/2)=ω/θ。
莫爾條紋(wen)具有以下特征:
兩片光柵(zha)(zha)相(xiang)對移過一個柵(zha)(zha)距,莫爾(er)條紋移過一個條紋距離。由于光的(de)衍射與干涉作用,莫爾(er)條紋的(de)變化規律近似正(zheng)(余)弦函數(shu),變化周(zhou)期數(shu)與光柵(zha)(zha)相(xiang)對位移的(de)柵(zha)(zha)距數(shu)同步。
在兩光柵(zha)柵(zha)線(xian)夾(jia)角(jiao)較小(xiao)的(de)情(qing)況(kuang)下,莫(mo)爾條紋(wen)寬度(du)W和光柵(zha)柵(zha)距ω、柵(zha)線(xian)角(jiao)θ之間有(you)下列關系。式中,θ的(de)單(dan)位為rad,W的(de)單(dan)位為mm。由于傾(qing)角(jiao)很小(xiao),sinθ很小(xiao),則
W=ω/θ
若ω=0.01mm,θ=0.01rad,則上式可得(de)W=1,即光柵放(fang)大(da)了100倍。
莫爾條紋(wen)是由(you)若干光(guang)柵條紋(wen)共(gong)用形成,例如每毫(hao)米100線的(de)光(guang)柵,10mm寬(kuan)度(du)的(de)莫爾條紋(wen)就有1000條線紋(wen),這樣柵距之間的(de)相鄰誤差就被平均化了,消除(chu)了由(you)于柵距不均勻、斷裂等造成的(de)誤差。
光(guang)(guang)柵(zha)(zha)測量位移(yi)的實(shi)質是以光(guang)(guang)柵(zha)(zha)柵(zha)(zha)距(ju)為一把標準尺(chi)(chi)子對位稱(cheng)量進行測量。高分(fen)辨(bian)率的光(guang)(guang)柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)一般造價較貴,且制造困難。為了提高系統(tong)分(fen)辨(bian)率,需要對莫爾條(tiao)紋(wen)進行細(xi)分(fen),光(guang)(guang)柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)傳感器系統(tong)多采(cai)用電子細(xi)分(fen)方法(fa)。當兩塊光(guang)(guang)柵(zha)(zha)以微小傾角重疊時(shi),在與光(guang)(guang)柵(zha)(zha)刻線(xian)大致垂(chui)直的方向(xiang)上(shang)就會(hui)產(chan)生(sheng)莫爾條(tiao)紋(wen),隨著(zhu)光(guang)(guang)柵(zha)(zha)的移(yi)動,莫爾條(tiao)紋(wen)也隨之上(shang)下移(yi)動。這樣就把對光(guang)(guang)柵(zha)(zha)柵(zha)(zha)距(ju)的測量轉換為對莫爾條(tiao)紋(wen)個數的測量。
在(zai)(zai)一(yi)個莫爾條紋寬(kuan)度內,按照一(yi)定間隔放(fang)置(zhi)4個光(guang)(guang)電器(qi)件就能實(shi)現電子細(xi)分(fen)(fen)(fen)與判(pan)向功能。例如(ru),柵線為(wei)(wei)50線對(dui)/mm的光(guang)(guang)柵尺,其(qi)光(guang)(guang)柵柵距(ju)為(wei)(wei)0.02mm,若采(cai)用四細(xi)分(fen)(fen)(fen)后(hou)便可(ke)得(de)(de)到分(fen)(fen)(fen)辨率為(wei)(wei)5μm的計數(shu)脈(mo)(mo)沖,這(zhe)在(zai)(zai)工業普通(tong)測控中已達到了很高精度。由(you)(you)于(yu)位(wei)移(yi)(yi)(yi)是(shi)一(yi)個矢量,即要(yao)檢測其(qi)大小,又要(yao)檢測其(qi)方(fang)(fang)向,因此(ci)至(zhi)少需要(yao)兩路相位(wei)不同(tong)的光(guang)(guang)電信(xin)號。為(wei)(wei)了消除共模干擾、直(zhi)流分(fen)(fen)(fen)量和(he)偶次諧波(bo),通(tong)常采(cai)用由(you)(you)低漂移(yi)(yi)(yi)運放(fang)構成(cheng)的差(cha)分(fen)(fen)(fen)放(fang)大器(qi)。由(you)(you)4個光(guang)(guang)敏器(qi)件獲(huo)得(de)(de)的4路光(guang)(guang)電信(xin)號分(fen)(fen)(fen)別送到2只(zhi)差(cha)分(fen)(fen)(fen)放(fang)大器(qi)輸入端,從差(cha)分(fen)(fen)(fen)放(fang)大器(qi)輸出的兩路信(xin)號其(qi)相位(wei)差(cha)為(wei)(wei)π/2,為(wei)(wei)得(de)(de)到判(pan)向和(he)計數(shu)脈(mo)(mo)沖,需對(dui)這(zhe)兩路信(xin)號進(jin)行整形(xing),首先把它們整形(xing)為(wei)(wei)占(zhan)空比為(wei)(wei)1:1的方(fang)(fang)波(bo)。然后(hou),通(tong)過對(dui)方(fang)(fang)波(bo)的相位(wei)進(jin)行判(pan)別比較,就可(ke)以(yi)得(de)(de)到光(guang)(guang)柵尺的移(yi)(yi)(yi)動(dong)方(fang)(fang)向。通(tong)過對(dui)方(fang)(fang)波(bo)脈(mo)(mo)沖進(jin)行計數(shu),可(ke)以(yi)得(de)(de)到光(guang)(guang)柵尺的位(wei)移(yi)(yi)(yi)和(he)速度。
光柵尺線位移傳感(gan)器(qi)的(de)安裝比較靈活,可安裝在機床(chuang)的(de)不同部(bu)位。
一(yi)般將主尺安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)在(zai)機(ji)床(chuang)的(de)工作臺(tai)(滑(hua)板)上(shang),隨(sui)機(ji)床(chuang)走(zou)刀而動,讀數(shu)(shu)頭(tou)固定在(zai)床(chuang)身上(shang),盡可能使(shi)讀數(shu)(shu)頭(tou)安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)在(zai)主尺的(de)下(xia)方。其安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)方式(shi)的(de)選擇必須注意切屑、切削液及油(you)液的(de)濺落方向。如果(guo)由于(yu)安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)位置限制必須采用讀數(shu)(shu)頭(tou)朝上(shang)的(de)方式(shi)安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)時(shi)(shi),則必須增加輔(fu)助密封裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置。另外,一(yi)般情況下(xia),讀數(shu)(shu)頭(tou)應(ying)盡量安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)在(zai)相(xiang)對(dui)機(ji)床(chuang)靜止部件上(shang),此時(shi)(shi)輸出導線(xian)不移動易固定,而尺身則應(ying)安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)在(zai)相(xiang)對(dui)機(ji)床(chuang)運(yun)動的(de)部件上(shang)(如滑(hua)板)。
安(an)(an)裝光柵(zha)(zha)尺傳感器(qi)時,不(bu)能直(zhi)接將傳感器(qi)安(an)(an)裝在粗糙不(bu)平的(de)機(ji)床身上,更不(bu)能安(an)(an)裝在打底涂漆(qi)的(de)機(ji)床身上。光柵(zha)(zha)主尺及讀數頭分(fen)(fen)別安(an)(an)裝在機(ji)床相對運(yun)動的(de)兩個部件上。用千分(fen)(fen)表檢查(cha)機(ji)床工作臺(tai)的(de)主尺安(an)(an)裝面(mian)與導軌運(yun)動的(de)方(fang)向平行度。千分(fen)(fen)表固定在床身上,移(yi)動工作臺(tai),要求達到(dao)平行度為0.1mm/1000mm以(yi)內。如果(guo)不(bu)能達到(dao)這(zhe)個要求,則需設計加工一件光柵(zha)(zha)尺基座。
基座(zuo)(zuo)要(yao)求做到:(1)應(ying)加一根與(yu)光(guang)柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身長度(du)相等(deng)的(de)(de)(de)基座(zuo)(zuo)(最好基座(zuo)(zuo)長出光(guang)柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)50mm左(zuo)右)。(2)該基座(zuo)(zuo)通過銑、磨工序(xu)加工,保證其平(ping)面(mian)平(ping)行(xing)度(du)0.1mm/1000mm以內。另外,還需(xu)加工一件與(yu)尺(chi)(chi)身基座(zuo)(zuo)等(deng)高的(de)(de)(de)讀數頭(tou)基座(zuo)(zuo)。讀數頭(tou)的(de)(de)(de)基座(zuo)(zuo)與(yu)尺(chi)(chi)身的(de)(de)(de)基座(zuo)(zuo)總(zong)共(gong)誤差不得大于(yu)±0.2mm。安裝時,調整讀數頭(tou)位置(zhi),達到讀數頭(tou)與(yu)光(guang)柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身的(de)(de)(de)平(ping)行(xing)度(du)為0.1mm左(zuo)右,讀數頭(tou)與(yu)光(guang)柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身之間(jian)的(de)(de)(de)間(jian)距(ju)為1~1.5mm左(zuo)右。
將光柵主尺(chi)(chi)(chi)用(yong)M4螺(luo)釘上(shang)在機(ji)床(chuang)安(an)裝的(de)工(gong)作臺(tai)(tai)安(an)裝面(mian)上(shang),但不要上(shang)緊,把(ba)千分表固定在床(chuang)身上(shang),移動工(gong)作臺(tai)(tai)(主尺(chi)(chi)(chi)與工(gong)作臺(tai)(tai)同時移動)。用(yong)千分表測量主尺(chi)(chi)(chi)平(ping)面(mian)與機(ji)床(chuang)導軌運動方向的(de)平(ping)行度,調整主尺(chi)(chi)(chi)M4螺(luo)釘位置,使主尺(chi)(chi)(chi)平(ping)行度滿足0.1mm/1000mm以(yi)內(nei)時,把(ba)M2螺(luo)釘徹底上(shang)緊。
在安裝光柵主尺時,應注意如下三點(dian):
(1)在(zai)裝(zhuang)(zhuang)主尺(chi)時,如(ru)安(an)裝(zhuang)(zhuang)超過1.5M以上的光柵(zha)時,不能(neng)象橋梁(liang)式只(zhi)安(an)裝(zhuang)(zhuang)兩端頭(tou),尚需在(zai)整(zheng)個(ge)主尺(chi)尺(chi)身(shen)(shen)中有(you)支撐。(2)在(zai)有(you)基座情況下安(an)裝(zhuang)(zhuang)好(hao)后,最(zui)好(hao)用(yong)一個(ge)卡(ka)子卡(ka)住尺(chi)身(shen)(shen)中點(或幾點)。(3)不能(neng)安(an)裝(zhuang)(zhuang)卡(ka)子時,最(zui)好(hao)用(yong)玻璃膠粘住光柵(zha)尺(chi)身(shen)(shen),使基尺(chi)與主尺(chi)固定(ding)好(hao)。
在(zai)安裝讀(du)(du)數頭(tou)(tou)時,首先應保證讀(du)(du)數頭(tou)(tou)的基面達到安裝要求(qiu),然后(hou)再(zai)安裝讀(du)(du)數頭(tou)(tou),其(qi)安裝方法與(yu)主(zhu)尺相似。最(zui)后(hou)調整讀(du)(du)數頭(tou)(tou),使(shi)讀(du)(du)數頭(tou)(tou)與(yu)光柵主(zhu)尺平行度保證在(zai)0.1mm之內,其(qi)讀(du)(du)數頭(tou)(tou)與(yu)主(zhu)尺的間隙(xi)控制在(zai)1~1.5mm以內。
光柵線位移(yi)傳感(gan)(gan)器(qi)全部安裝(zhuang)完以后(hou),一(yi)定要(yao)在(zai)機床導軌(gui)上安裝(zhuang)限位裝(zhuang)置,以免機床加(jia)工產品移(yi)動時讀數(shu)頭沖撞到主尺兩端,從而損壞光柵尺。另外,用(yong)戶在(zai)選購光柵線位移(yi)傳感(gan)(gan)器(qi)時,應盡量選用(yong)超出機床加(jia)工尺寸100mm左右的光柵尺,以留有余量。
光柵線位移傳(chuan)感器安(an)裝完(wan)畢后,可(ke)接通數(shu)(shu)顯表,移動工(gong)作臺,觀(guan)察(cha)數(shu)(shu)顯表計數(shu)(shu)是否正常。
在機(ji)床上選取一(yi)(yi)個(ge)參考位置,來回移動工(gong)作點至該選取的(de)位置。數(shu)(shu)(shu)(shu)顯表讀數(shu)(shu)(shu)(shu)應相同(tong)(或回零)。另(ling)外(wai)也可使(shi)用千分表(或百分表),使(shi)千分表與數(shu)(shu)(shu)(shu)顯表同(tong)時調至零(或記憶起始(shi)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)),往返多次后回到初始(shi)位置,觀察(cha)數(shu)(shu)(shu)(shu)顯表與千分表的(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)是否(fou)一(yi)(yi)致。
通過以上工作,光柵尺(chi)線(xian)位移傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)安(an)裝就(jiu)完成了。但對(dui)于一(yi)般(ban)的(de)(de)機床加工環境(jing)來(lai)講,鐵屑、切削(xue)液及油污較多。因此,傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)應附(fu)帶加裝護(hu)罩,護(hu)罩的(de)(de)設計是(shi)按照(zhao)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)外形截面放大(da)留(liu)一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)空間尺(chi)寸確(que)定(ding)(ding)(ding),護(hu)罩通常采用橡皮(pi)密封,使其具(ju)備一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)防水(shui)防油能(neng)力。
(1)光柵尺傳感器(qi)與數顯表(biao)插頭座插拔時應關閉電(dian)源后進行。
(2)盡可能外加保護(hu)罩,并及時清理濺(jian)落在(zai)尺(chi)上(shang)的(de)切屑和油液,嚴(yan)格防止(zhi)任何(he)異物(wu)進入光(guang)柵尺(chi)傳感器殼體(ti)內部。
(3)定期檢查各安裝(zhuang)聯接螺釘是否松動。
(4)為(wei)延長(chang)防塵密封(feng)(feng)條(tiao)的壽命,可在密封(feng)(feng)條(tiao)上均勻涂(tu)上一薄層硅(gui)油,注意勿濺落在玻璃光柵刻劃(hua)面(mian)上。
(5)為(wei)保(bao)證(zheng)光(guang)(guang)柵(zha)(zha)尺傳感器使用的可(ke)靠性,可(ke)每(mei)隔一定時間用乙醇(chun)混合液(ye)(各50%)清(qing)洗(xi)擦拭光(guang)(guang)柵(zha)(zha)尺面(mian)及(ji)指(zhi)示光(guang)(guang)柵(zha)(zha)面(mian),保(bao)持玻璃光(guang)(guang)柵(zha)(zha)尺面(mian)清(qing)潔。
(6)光柵(zha)尺傳感(gan)器嚴禁劇(ju)烈震動及摔打,以免(mian)破壞光柵(zha)尺,如光柵(zha)尺斷裂(lie),光柵(zha)尺傳感(gan)器即失(shi)效了(le)。
(7)不(bu)要自(zi)行(xing)拆開光柵(zha)尺(chi)(chi)(chi)傳感器(qi),更不(bu)能任意改(gai)動主柵(zha)尺(chi)(chi)(chi)與(yu)副柵(zha)尺(chi)(chi)(chi)的相(xiang)對間距,否則一方面可能破(po)壞光柵(zha)尺(chi)(chi)(chi)傳感器(qi)的精度(du);另一方面還可能造成(cheng)主柵(zha)尺(chi)(chi)(chi)與(yu)副柵(zha)尺(chi)(chi)(chi)的相(xiang)對摩擦,損(sun)壞鉻層(ceng)也就損(sun)壞了柵(zha)線(xian),以而造成(cheng)光柵(zha)尺(chi)(chi)(chi)報廢。
(8)應注意(yi)防止油污(wu)及水污(wu)染光(guang)柵(zha)尺面,以免破(po)壞光(guang)柵(zha)尺線條紋分布,引起測量誤(wu)差(cha)。
(9)光柵(zha)尺傳(chuan)感器應盡量(liang)避免(mian)在有(you)嚴重腐蝕作用的環(huan)境中工作,以免(mian)腐蝕光柵(zha)鉻(ge)層及光柵(zha)尺表面,破壞光柵(zha)尺質量(liang)。
合理(li)選取光柵(zha)尺,正確(que)使用(yong)(yong)使其物盡其能(neng);也有互相矛(mao)盾的(de)(de)一(yi)面(mian),安裝位置(zhi)既要盡可能(neng)靠(kao)近驅動軸線,又(you)要盡量遠離機(ji)(ji)(ji)床(chuang)的(de)(de)發(fa)熱源(yuan)(如絲杠副(fu)),這就要看(kan)機(ji)(ji)(ji)床(chuang)設(she)(she)(she)計(ji)師,怎樣兼顧折(zhe)衷考慮各(ge)方面(mian)因(yin)素(su),綜合考慮光柵(zha)尺選型、設(she)(she)(she)計(ji)、安裝、捌試等因(yin)素(su),得到(dao)比(bi)較(jiao)(jiao)合理(li)的(de)(de)性價比(bi),勢必取得比(bi)較(jiao)(jiao)好的(de)(de)控制檢測(ce)效果。通(tong)過以上幾個步驟(zou)的(de)(de)調試,一(yi)臺數(shu)控機(ji)(ji)(ji)床(chuang)一(yi)般都能(neng)獲得很好的(de)(de)位置(zhi)精(jing)度(du)(定位精(jing)度(du)、重復定位精(jing)度(du)),達到(dao)機(ji)(ji)(ji)床(chuang)設(she)(she)(she)計(ji)要求,能(neng)很容易滿足用(yong)(yong)戶的(de)(de)需求,對數(shu)控機(ji)(ji)(ji)床(chuang)的(de)(de)制造廠家和使用(yong)(yong)用(yong)(yong)戶有著(zhu)非(fei)凡的(de)(de)現實意(yi)義(yi)。