光柵尺(chi)(chi)是由標(biao)尺(chi)(chi)光柵和光柵讀(du)數(shu)頭(tou)兩(liang)部(bu)分組成。標(biao)尺(chi)(chi)光柵一(yi)般固(gu)定在機床(chuang)固(gu)定部(bu)件(jian)上(shang),光柵讀(du)數(shu)頭(tou)裝在機床(chuang)活動部(bu)件(jian)上(shang),指示(shi)光柵裝在光柵讀(du)數(shu)頭(tou)中。右圖所示(shi)的就(jiu)是光柵尺(chi)(chi)的結構。
光(guang)柵(zha)(zha)檢測裝置的關鍵(jian)部分是光(guang)柵(zha)(zha)讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou),它由光(guang)源、會聚透鏡(jing)(jing)、指示光(guang)柵(zha)(zha)、光(guang)電元件(jian)及(ji)調(diao)整機(ji)構(gou)等組成。光(guang)柵(zha)(zha)讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou)結(jie)構(gou)形(xing)式(shi)很多,根(gen)據讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou)結(jie)構(gou)特點和使用(yong)場合分為直接(jie)接(jie)收(shou)式(shi)讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou)(或稱硅光(guang)電池讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou)、鏡(jing)(jing)像式(shi)讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou)、分光(guang)鏡(jing)(jing)式(shi)讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou)、金屬光(guang)柵(zha)(zha)反射(she)式(shi)讀(du)數(shu)(shu)頭(tou)(tou))。
莫爾條紋
以透射光柵(zha)為(wei)例,當指示(shi)光柵(zha)上(shang)(shang)的(de)線紋(wen)(wen)和標(biao)尺(chi)光柵(zha)上(shang)(shang)的(de)線紋(wen)(wen)之間形成(cheng)一個小角度θ,并且(qie)兩(liang)個光柵(zha)尺(chi)刻(ke)面(mian)相(xiang)對平行放置時,在光源的(de)照射下,位于幾乎垂(chui)直的(de)柵(zha)紋(wen)(wen)上(shang)(shang),形成(cheng)明暗相(xiang)間的(de)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)。這種條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)稱(cheng)為(wei)“莫(mo)爾條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)”(右(you)圖所示(shi))。嚴格地說(shuo),莫(mo)爾條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)排列的(de)方(fang)向是與(yu)兩(liang)片(pian)光柵(zha)線紋(wen)(wen)夾角的(de)平分線相(xiang)垂(chui)直。莫(mo)爾條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)中兩(liang)條(tiao)(tiao)亮紋(wen)(wen)或兩(liang)條(tiao)(tiao)暗紋(wen)(wen)之間的(de)距離稱(cheng)為(wei)莫(mo)爾條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)的(de)寬(kuan)度,以W表示(shi)。
W=ω/2*sin(θ/2)=ω/θ。
莫爾條(tiao)紋具有以下特征:
兩片光(guang)柵相對(dui)移過一個柵距(ju)(ju),莫(mo)爾(er)條紋(wen)移過一個條紋(wen)距(ju)(ju)離。由于光(guang)的衍射與干涉作(zuo)用,莫(mo)爾(er)條紋(wen)的變化規律近似正(余)弦函數(shu),變化周期數(shu)與光(guang)柵相對(dui)位移的柵距(ju)(ju)數(shu)同步。
在(zai)兩光柵柵線夾角(jiao)(jiao)較小(xiao)的(de)情況(kuang)下,莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線角(jiao)(jiao)θ之間有下列關(guan)系。式(shi)中,θ的(de)單位(wei)為rad,W的(de)單位(wei)為mm。由于傾角(jiao)(jiao)很小(xiao),sinθ很小(xiao),則
W=ω/θ
若ω=0.01mm,θ=0.01rad,則上式(shi)可得W=1,即光柵(zha)放大了100倍。
莫爾(er)(er)條(tiao)(tiao)紋(wen)是由若干光柵條(tiao)(tiao)紋(wen)共用形成,例如每毫米100線的(de)光柵,10mm寬度的(de)莫爾(er)(er)條(tiao)(tiao)紋(wen)就有1000條(tiao)(tiao)線紋(wen),這樣柵距之(zhi)間的(de)相鄰誤差(cha)就被(bei)平均化了(le),消除(chu)了(le)由于柵距不均勻、斷裂等造成的(de)誤差(cha)。
光(guang)柵(zha)測(ce)量位移的實(shi)質是以光(guang)柵(zha)柵(zha)距為一把(ba)標準尺(chi)(chi)子(zi)對(dui)位稱量進行測(ce)量。高分辨率(lv)的光(guang)柵(zha)尺(chi)(chi)一般造價較貴,且(qie)制造困難。為了(le)提高系統分辨率(lv),需(xu)要對(dui)莫(mo)爾(er)條紋(wen)(wen)進行細(xi)分,光(guang)柵(zha)尺(chi)(chi)傳(chuan)感器(qi)系統多采用電子(zi)細(xi)分方(fang)法。當兩塊光(guang)柵(zha)以微(wei)小傾角重疊時,在(zai)與光(guang)柵(zha)刻線(xian)大致垂直的方(fang)向(xiang)上就會(hui)產生莫(mo)爾(er)條紋(wen)(wen),隨著光(guang)柵(zha)的移動,莫(mo)爾(er)條紋(wen)(wen)也隨之上下移動。這樣就把(ba)對(dui)光(guang)柵(zha)柵(zha)距的測(ce)量轉(zhuan)換為對(dui)莫(mo)爾(er)條紋(wen)(wen)個數的測(ce)量。
在一個莫(mo)爾(er)條(tiao)紋寬(kuan)度(du)內,按照一定間隔放(fang)置4個光(guang)電(dian)(dian)器件就能實現電(dian)(dian)子細(xi)分(fen)與判(pan)向(xiang)功能。例如,柵(zha)線為50線對(dui)(dui)/mm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)柵(zha)尺(chi),其(qi)(qi)光(guang)柵(zha)柵(zha)距為0.02mm,若(ruo)采(cai)用四(si)細(xi)分(fen)后(hou)便可(ke)得(de)到(dao)(dao)分(fen)辨率(lv)為5μm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)計(ji)數(shu)脈(mo)沖(chong)(chong),這(zhe)在工業普通測(ce)控中已達到(dao)(dao)了很高(gao)精度(du)。由(you)(you)于位(wei)移是一個矢量(liang),即要檢測(ce)其(qi)(qi)大小,又(you)要檢測(ce)其(qi)(qi)方(fang)向(xiang),因此至少需要兩路(lu)相(xiang)(xiang)位(wei)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)電(dian)(dian)信號。為了消除共模干(gan)擾、直流分(fen)量(liang)和偶次諧波,通常采(cai)用由(you)(you)低漂(piao)移運放(fang)構成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)分(fen)放(fang)大器。由(you)(you)4個光(guang)敏器件獲得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)4路(lu)光(guang)電(dian)(dian)信號分(fen)別(bie)送到(dao)(dao)2只差(cha)(cha)分(fen)放(fang)大器輸入端,從(cong)差(cha)(cha)分(fen)放(fang)大器輸出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩路(lu)信號其(qi)(qi)相(xiang)(xiang)位(wei)差(cha)(cha)為π/2,為得(de)到(dao)(dao)判(pan)向(xiang)和計(ji)數(shu)脈(mo)沖(chong)(chong),需對(dui)(dui)這(zhe)兩路(lu)信號進行(xing)整形,首先把它們整形為占空(kong)比為1:1的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)波。然后(hou),通過對(dui)(dui)方(fang)波的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)位(wei)進行(xing)判(pan)別(bie)比較,就可(ke)以得(de)到(dao)(dao)光(guang)柵(zha)尺(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)移動(dong)方(fang)向(xiang)。通過對(dui)(dui)方(fang)波脈(mo)沖(chong)(chong)進行(xing)計(ji)數(shu),可(ke)以得(de)到(dao)(dao)光(guang)柵(zha)尺(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)移和速度(du)。
光柵尺(chi)線位移傳感(gan)器的(de)(de)安裝比(bi)較靈活(huo),可安裝在機床(chuang)的(de)(de)不同(tong)部位。
一(yi)般(ban)將主尺(chi)(chi)安(an)裝在(zai)(zai)機床的(de)(de)工(gong)作(zuo)臺(滑(hua)板(ban))上(shang)(shang),隨機床走刀(dao)而(er)動,讀數(shu)頭(tou)固定(ding)在(zai)(zai)床身上(shang)(shang),盡(jin)(jin)可能(neng)使讀數(shu)頭(tou)安(an)裝在(zai)(zai)主尺(chi)(chi)的(de)(de)下方(fang)。其安(an)裝方(fang)式的(de)(de)選擇必須注意切屑、切削(xue)液(ye)及油(you)液(ye)的(de)(de)濺落方(fang)向(xiang)。如(ru)果由于安(an)裝位(wei)置限(xian)制(zhi)必須采用讀數(shu)頭(tou)朝上(shang)(shang)的(de)(de)方(fang)式安(an)裝時(shi),則(ze)必須增加輔助密(mi)封裝置。另外,一(yi)般(ban)情況(kuang)下,讀數(shu)頭(tou)應(ying)盡(jin)(jin)量(liang)安(an)裝在(zai)(zai)相(xiang)對機床靜止部(bu)件上(shang)(shang),此時(shi)輸出導線(xian)不移動易固定(ding),而(er)尺(chi)(chi)身則(ze)應(ying)安(an)裝在(zai)(zai)相(xiang)對機床運動的(de)(de)部(bu)件上(shang)(shang)(如(ru)滑(hua)板(ban))。
安(an)(an)(an)裝(zhuang)光(guang)柵尺(chi)(chi)傳(chuan)感器時(shi),不(bu)能(neng)直接(jie)將(jiang)傳(chuan)感器安(an)(an)(an)裝(zhuang)在粗糙不(bu)平(ping)的機(ji)床身(shen)(shen)上,更不(bu)能(neng)安(an)(an)(an)裝(zhuang)在打(da)底涂漆的機(ji)床身(shen)(shen)上。光(guang)柵主(zhu)尺(chi)(chi)及讀數頭分別安(an)(an)(an)裝(zhuang)在機(ji)床相對運動(dong)(dong)的兩個部件上。用千分表檢查機(ji)床工作臺的主(zhu)尺(chi)(chi)安(an)(an)(an)裝(zhuang)面與(yu)導(dao)軌運動(dong)(dong)的方(fang)向平(ping)行度。千分表固定在床身(shen)(shen)上,移(yi)動(dong)(dong)工作臺,要(yao)求達到平(ping)行度為0.1mm/1000mm以(yi)內。如果(guo)不(bu)能(neng)達到這(zhe)個要(yao)求,則需設計加工一件光(guang)柵尺(chi)(chi)基座。
基(ji)座要(yao)求做(zuo)到:(1)應加一根與光(guang)柵尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身(shen)長度(du)相等(deng)的(de)基(ji)座(最好基(ji)座長出光(guang)柵尺(chi)(chi)50mm左(zuo)(zuo)(zuo)右(you))。(2)該基(ji)座通過銑、磨工(gong)序加工(gong),保證其平面平行度(du)0.1mm/1000mm以內(nei)。另外(wai),還需加工(gong)一件(jian)與尺(chi)(chi)身(shen)基(ji)座等(deng)高(gao)的(de)讀(du)數(shu)(shu)(shu)頭(tou)(tou)基(ji)座。讀(du)數(shu)(shu)(shu)頭(tou)(tou)的(de)基(ji)座與尺(chi)(chi)身(shen)的(de)基(ji)座總(zong)共誤差(cha)不得大(da)于(yu)±0.2mm。安裝(zhuang)時,調(diao)整(zheng)讀(du)數(shu)(shu)(shu)頭(tou)(tou)位置,達(da)到讀(du)數(shu)(shu)(shu)頭(tou)(tou)與光(guang)柵尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身(shen)的(de)平行度(du)為(wei)(wei)0.1mm左(zuo)(zuo)(zuo)右(you),讀(du)數(shu)(shu)(shu)頭(tou)(tou)與光(guang)柵尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身(shen)之間的(de)間距(ju)為(wei)(wei)1~1.5mm左(zuo)(zuo)(zuo)右(you)。
將光柵(zha)主(zhu)尺用M4螺釘(ding)(ding)上(shang)(shang)在機床安裝的(de)工作臺安裝面上(shang)(shang),但不要上(shang)(shang)緊,把(ba)千分(fen)表固定在床身上(shang)(shang),移動(dong)工作臺(主(zhu)尺與工作臺同時移動(dong))。用千分(fen)表測量(liang)主(zhu)尺平面與機床導軌運動(dong)方向的(de)平行(xing)度(du),調整主(zhu)尺M4螺釘(ding)(ding)位(wei)置,使(shi)主(zhu)尺平行(xing)度(du)滿足0.1mm/1000mm以內時,把(ba)M2螺釘(ding)(ding)徹底(di)上(shang)(shang)緊。
在安裝光柵主尺時(shi),應注(zhu)意如下三點:
(1)在(zai)(zai)裝(zhuang)(zhuang)主尺(chi)時(shi),如安(an)(an)裝(zhuang)(zhuang)超過1.5M以上的(de)光柵時(shi),不(bu)(bu)能象橋梁式只安(an)(an)裝(zhuang)(zhuang)兩端(duan)頭,尚需(xu)在(zai)(zai)整個(ge)主尺(chi)尺(chi)身中有(you)支撐(cheng)。(2)在(zai)(zai)有(you)基座情況(kuang)下安(an)(an)裝(zhuang)(zhuang)好后(hou),最好用一個(ge)卡(ka)子卡(ka)住(zhu)尺(chi)身中點(或幾點)。(3)不(bu)(bu)能安(an)(an)裝(zhuang)(zhuang)卡(ka)子時(shi),最好用玻(bo)璃膠粘住(zhu)光柵尺(chi)身,使(shi)基尺(chi)與(yu)主尺(chi)固(gu)定好。
在安裝(zhuang)讀(du)數(shu)頭時,首先應保(bao)證(zheng)讀(du)數(shu)頭的基面達到安裝(zhuang)要求,然后(hou)再安裝(zhuang)讀(du)數(shu)頭,其安裝(zhuang)方(fang)法與主(zhu)尺(chi)(chi)相似。最(zui)后(hou)調整讀(du)數(shu)頭,使讀(du)數(shu)頭與光(guang)柵主(zhu)尺(chi)(chi)平(ping)行度保(bao)證(zheng)在0.1mm之(zhi)內,其讀(du)數(shu)頭與主(zhu)尺(chi)(chi)的間隙控制在1~1.5mm以內。
光柵(zha)(zha)線位(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)感器(qi)全部(bu)安(an)裝(zhuang)完以(yi)后(hou),一(yi)定(ding)要(yao)在機床(chuang)導軌上(shang)安(an)裝(zhuang)限位(wei)裝(zhuang)置,以(yi)免機床(chuang)加工(gong)產品移(yi)(yi)動(dong)時讀數頭沖撞到主(zhu)尺(chi)兩端,從而損壞光柵(zha)(zha)尺(chi)。另外,用戶(hu)在選購光柵(zha)(zha)線位(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)感器(qi)時,應盡量(liang)選用超出機床(chuang)加工(gong)尺(chi)寸(cun)100mm左右的(de)光柵(zha)(zha)尺(chi),以(yi)留(liu)有余量(liang)。
光(guang)柵線位移(yi)傳感(gan)器安(an)裝完畢后,可接通數顯表(biao)(biao),移(yi)動(dong)工(gong)作臺,觀察數顯表(biao)(biao)計(ji)數是否正常。
在機床上選(xuan)取一(yi)個參考位(wei)置,來(lai)回移動工作點至該(gai)選(xuan)取的位(wei)置。數(shu)(shu)顯表(biao)(biao)(biao)讀(du)數(shu)(shu)應相同(或回零)。另(ling)外也可使(shi)用千(qian)分(fen)表(biao)(biao)(biao)(或百分(fen)表(biao)(biao)(biao)),使(shi)千(qian)分(fen)表(biao)(biao)(biao)與數(shu)(shu)顯表(biao)(biao)(biao)同時調至零(或記憶起始(shi)(shi)數(shu)(shu)據),往(wang)返多次后回到(dao)初始(shi)(shi)位(wei)置,觀察(cha)數(shu)(shu)顯表(biao)(biao)(biao)與千(qian)分(fen)表(biao)(biao)(biao)的數(shu)(shu)據是(shi)否一(yi)致。
通過以上工作,光柵尺線(xian)位移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)安裝(zhuang)(zhuang)就(jiu)完成了。但對(dui)于(yu)一般(ban)的(de)(de)機床加(jia)工環境來講(jiang),鐵屑、切削液及油污較(jiao)多(duo)。因(yin)此,傳(chuan)感(gan)器(qi)應(ying)附帶加(jia)裝(zhuang)(zhuang)護罩(zhao),護罩(zhao)的(de)(de)設計是按照傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)外形截面放大(da)留一定(ding)的(de)(de)空間尺寸(cun)確定(ding),護罩(zhao)通常采用橡皮密封(feng),使(shi)其具備(bei)一定(ding)的(de)(de)防(fang)水防(fang)油能力。
(1)光(guang)柵尺傳(chuan)感器與數顯(xian)表插(cha)頭座插(cha)拔(ba)時應關(guan)閉電(dian)源后進行。
(2)盡可(ke)能(neng)外加保護(hu)罩,并及時清理濺落(luo)在尺上的(de)切屑和油液,嚴格防止(zhi)任何異(yi)物進入光(guang)柵尺傳感器殼體(ti)內部(bu)。
(3)定期檢查各(ge)安(an)裝聯接螺(luo)釘是(shi)否松動。
(4)為延長防(fang)塵(chen)密(mi)封條的壽命,可在(zai)(zai)密(mi)封條上均(jun)勻涂上一薄(bo)層(ceng)硅油(you),注意勿濺落在(zai)(zai)玻璃光柵刻劃(hua)面上。
(5)為保(bao)證光(guang)(guang)柵(zha)尺傳感器使用的可靠(kao)性(xing),可每隔一定(ding)時間用乙醇混合液(各50%)清洗(xi)擦拭光(guang)(guang)柵(zha)尺面(mian)及指示(shi)光(guang)(guang)柵(zha)面(mian),保(bao)持(chi)玻璃光(guang)(guang)柵(zha)尺面(mian)清潔。
(6)光柵(zha)尺(chi)傳(chuan)(chuan)感器嚴(yan)禁劇烈震動及摔打,以免破壞光柵(zha)尺(chi),如光柵(zha)尺(chi)斷裂(lie),光柵(zha)尺(chi)傳(chuan)(chuan)感器即失(shi)效了。
(7)不要自行拆開光(guang)柵(zha)尺(chi)傳感器,更不能任(ren)意改動主(zhu)柵(zha)尺(chi)與副(fu)柵(zha)尺(chi)的(de)(de)相(xiang)對間(jian)距(ju),否則一方面(mian)可(ke)(ke)能破壞(huai)光(guang)柵(zha)尺(chi)傳感器的(de)(de)精(jing)度;另一方面(mian)還可(ke)(ke)能造(zao)成(cheng)(cheng)主(zhu)柵(zha)尺(chi)與副(fu)柵(zha)尺(chi)的(de)(de)相(xiang)對摩(mo)擦,損(sun)壞(huai)鉻層也就損(sun)壞(huai)了柵(zha)線,以(yi)而造(zao)成(cheng)(cheng)光(guang)柵(zha)尺(chi)報廢。
(8)應注意防止油污及水污染光柵尺面,以免(mian)破(po)壞(huai)光柵尺線條紋分布(bu),引起測(ce)量誤差。
(9)光柵(zha)尺(chi)(chi)傳感器應(ying)盡量(liang)避免(mian)在有嚴(yan)重腐蝕(shi)作用的環境中(zhong)工作,以免(mian)腐蝕(shi)光柵(zha)鉻層及光柵(zha)尺(chi)(chi)表(biao)面,破(po)壞光柵(zha)尺(chi)(chi)質量(liang)。
合(he)理選(xuan)取光柵尺,正(zheng)確使(shi)用(yong)使(shi)其物盡(jin)其能;也有互相(xiang)矛(mao)盾的(de)(de)一面,安(an)裝位(wei)置既(ji)要(yao)(yao)盡(jin)可能靠近(jin)驅動軸線(xian),又要(yao)(yao)盡(jin)量遠離(li)機床(chuang)(chuang)的(de)(de)發熱源(如(ru)絲(si)杠副(fu)),這(zhe)就要(yao)(yao)看機床(chuang)(chuang)設計(ji)師,怎樣兼顧(gu)折衷考慮各(ge)方面因素(su),綜合(he)考慮光柵尺選(xuan)型(xing)、設計(ji)、安(an)裝、捌(ba)試等(deng)因素(su),得(de)到比(bi)較合(he)理的(de)(de)性價(jia)比(bi),勢必取得(de)比(bi)較好(hao)的(de)(de)控制檢測效果。通過(guo)以上幾個步(bu)驟的(de)(de)調試,一臺數(shu)控機床(chuang)(chuang)一般都能獲(huo)得(de)很好(hao)的(de)(de)位(wei)置精(jing)度(定(ding)位(wei)精(jing)度、重復定(ding)位(wei)精(jing)度),達(da)到機床(chuang)(chuang)設計(ji)要(yao)(yao)求,能很容易滿(man)足用(yong)戶(hu)(hu)的(de)(de)需求,對數(shu)控機床(chuang)(chuang)的(de)(de)制造廠(chang)家和使(shi)用(yong)用(yong)戶(hu)(hu)有著非凡(fan)的(de)(de)現實意(yi)義。