光(guang)(guang)(guang)柵(zha)尺是由標尺光(guang)(guang)(guang)柵(zha)和光(guang)(guang)(guang)柵(zha)讀(du)數頭(tou)(tou)兩部分組(zu)成。標尺光(guang)(guang)(guang)柵(zha)一般固(gu)定在(zai)機床(chuang)固(gu)定部件上,光(guang)(guang)(guang)柵(zha)讀(du)數頭(tou)(tou)裝(zhuang)在(zai)機床(chuang)活(huo)動部件上,指示(shi)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)裝(zhuang)在(zai)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)讀(du)數頭(tou)(tou)中。右圖(tu)所示(shi)的(de)就是光(guang)(guang)(guang)柵(zha)尺的(de)結構。
光(guang)柵(zha)檢測裝置的關鍵部(bu)分是光(guang)柵(zha)讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou),它由光(guang)源、會聚透鏡(jing)、指示(shi)光(guang)柵(zha)、光(guang)電元(yuan)件及調整機(ji)構等組(zu)成。光(guang)柵(zha)讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou)結構形式(shi)(shi)很(hen)多,根據讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou)結構特點和使用場(chang)合分為直接接收式(shi)(shi)讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou)(或稱硅光(guang)電池讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou)、鏡(jing)像式(shi)(shi)讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou)、分光(guang)鏡(jing)式(shi)(shi)讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou)、金屬光(guang)柵(zha)反射式(shi)(shi)讀(du)數(shu)頭(tou)(tou)(tou))。
莫爾條紋
以透(tou)射光(guang)柵(zha)(zha)(zha)為(wei)例,當指示(shi)光(guang)柵(zha)(zha)(zha)上的(de)(de)(de)線(xian)紋(wen)(wen)和(he)標尺光(guang)柵(zha)(zha)(zha)上的(de)(de)(de)線(xian)紋(wen)(wen)之間(jian)形成一個(ge)小角度(du)θ,并且(qie)兩(liang)個(ge)光(guang)柵(zha)(zha)(zha)尺刻面相對(dui)平行放置時,在光(guang)源的(de)(de)(de)照射下,位于幾乎垂(chui)直的(de)(de)(de)柵(zha)(zha)(zha)紋(wen)(wen)上,形成明(ming)暗相間(jian)的(de)(de)(de)條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)。這種條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)稱為(wei)“莫(mo)(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)”(右圖所示(shi))。嚴格地說,莫(mo)(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)排列的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)是與兩(liang)片光(guang)柵(zha)(zha)(zha)線(xian)紋(wen)(wen)夾角的(de)(de)(de)平分線(xian)相垂(chui)直。莫(mo)(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)中兩(liang)條(tiao)(tiao)(tiao)亮紋(wen)(wen)或(huo)兩(liang)條(tiao)(tiao)(tiao)暗紋(wen)(wen)之間(jian)的(de)(de)(de)距離(li)稱為(wei)莫(mo)(mo)爾(er)(er)條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)的(de)(de)(de)寬度(du),以W表示(shi)。
W=ω/2*sin(θ/2)=ω/θ。
莫爾條紋具有(you)以下(xia)特征:
兩片光(guang)柵相對移過一個柵距(ju),莫爾條(tiao)(tiao)紋移過一個條(tiao)(tiao)紋距(ju)離。由(you)于光(guang)的(de)衍射(she)與干涉作用,莫爾條(tiao)(tiao)紋的(de)變化規律近(jin)似正(余)弦函數(shu),變化周期數(shu)與光(guang)柵相對位移的(de)柵距(ju)數(shu)同步。
在兩光柵(zha)柵(zha)線夾角較小的(de)(de)情況下,莫爾條紋(wen)寬度W和光柵(zha)柵(zha)距ω、柵(zha)線角θ之間有(you)下列關(guan)系。式中(zhong),θ的(de)(de)單(dan)位(wei)為rad,W的(de)(de)單(dan)位(wei)為mm。由(you)于傾角很小,sinθ很小,則(ze)
W=ω/θ
若(ruo)ω=0.01mm,θ=0.01rad,則上(shang)式可得W=1,即光柵放大了100倍。
莫爾(er)條(tiao)紋是由若干(gan)光(guang)柵(zha)條(tiao)紋共(gong)用形成,例(li)如每毫米100線的光(guang)柵(zha),10mm寬度的莫爾(er)條(tiao)紋就(jiu)有(you)1000條(tiao)線紋,這樣(yang)柵(zha)距(ju)之間(jian)的相鄰誤(wu)差就(jiu)被平(ping)均化了,消(xiao)除了由于柵(zha)距(ju)不(bu)均勻(yun)、斷(duan)裂(lie)等造(zao)成的誤(wu)差。
光柵(zha)(zha)測(ce)量位移(yi)的(de)實質是以光柵(zha)(zha)柵(zha)(zha)距為一(yi)把標(biao)準尺(chi)子(zi)對(dui)(dui)位稱量進行(xing)測(ce)量。高分辨率的(de)光柵(zha)(zha)尺(chi)一(yi)般(ban)造價較貴,且制(zhi)造困難(nan)。為了提高系統(tong)分辨率,需要對(dui)(dui)莫(mo)爾(er)條(tiao)(tiao)紋進行(xing)細(xi)分,光柵(zha)(zha)尺(chi)傳感器系統(tong)多采用電子(zi)細(xi)分方(fang)法(fa)。當兩塊光柵(zha)(zha)以微小傾(qing)角重疊時(shi),在(zai)與光柵(zha)(zha)刻線大(da)致(zhi)垂直的(de)方(fang)向上(shang)就(jiu)會產生莫(mo)爾(er)條(tiao)(tiao)紋,隨(sui)著光柵(zha)(zha)的(de)移(yi)動(dong),莫(mo)爾(er)條(tiao)(tiao)紋也隨(sui)之上(shang)下移(yi)動(dong)。這樣(yang)就(jiu)把對(dui)(dui)光柵(zha)(zha)柵(zha)(zha)距的(de)測(ce)量轉換為對(dui)(dui)莫(mo)爾(er)條(tiao)(tiao)紋個數的(de)測(ce)量。
在一個莫爾條紋寬度(du)(du)內,按照一定(ding)間隔放(fang)置(zhi)4個光(guang)(guang)(guang)電器件就(jiu)能(neng)實現電子細分(fen)(fen)與判向(xiang)(xiang)功能(neng)。例如,柵(zha)線(xian)為50線(xian)對(dui)/mm的(de)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)尺(chi)(chi),其(qi)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)柵(zha)距為0.02mm,若采用(yong)(yong)四細分(fen)(fen)后便可(ke)得(de)到(dao)(dao)分(fen)(fen)辨率為5μm的(de)計(ji)數脈沖,這在工業普(pu)通測控中已達到(dao)(dao)了很高精度(du)(du)。由(you)于位(wei)(wei)(wei)移是一個矢(shi)量,即要檢測其(qi)大(da)小(xiao),又要檢測其(qi)方(fang)向(xiang)(xiang),因此(ci)至少需(xu)要兩路相位(wei)(wei)(wei)不同的(de)光(guang)(guang)(guang)電信號(hao)(hao)(hao)。為了消除共模干擾、直流分(fen)(fen)量和偶次諧波(bo),通常采用(yong)(yong)由(you)低漂移運放(fang)構成的(de)差(cha)分(fen)(fen)放(fang)大(da)器。由(you)4個光(guang)(guang)(guang)敏器件獲得(de)的(de)4路光(guang)(guang)(guang)電信號(hao)(hao)(hao)分(fen)(fen)別送到(dao)(dao)2只差(cha)分(fen)(fen)放(fang)大(da)器輸入端,從差(cha)分(fen)(fen)放(fang)大(da)器輸出的(de)兩路信號(hao)(hao)(hao)其(qi)相位(wei)(wei)(wei)差(cha)為π/2,為得(de)到(dao)(dao)判向(xiang)(xiang)和計(ji)數脈沖,需(xu)對(dui)這兩路信號(hao)(hao)(hao)進(jin)行(xing)(xing)整形,首先把它(ta)們(men)整形為占空比(bi)為1:1的(de)方(fang)波(bo)。然后,通過對(dui)方(fang)波(bo)的(de)相位(wei)(wei)(wei)進(jin)行(xing)(xing)判別比(bi)較,就(jiu)可(ke)以得(de)到(dao)(dao)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)尺(chi)(chi)的(de)移動(dong)方(fang)向(xiang)(xiang)。通過對(dui)方(fang)波(bo)脈沖進(jin)行(xing)(xing)計(ji)數,可(ke)以得(de)到(dao)(dao)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)尺(chi)(chi)的(de)位(wei)(wei)(wei)移和速(su)度(du)(du)。
光柵尺線位移傳感器(qi)的安裝(zhuang)比較靈活(huo),可安裝(zhuang)在機床的不同部位。
一(yi)般(ban)將主尺(chi)安裝(zhuang)在(zai)(zai)(zai)機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)的(de)(de)(de)工(gong)作臺(滑(hua)板)上(shang),隨機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)走刀而動,讀(du)(du)數(shu)頭(tou)固定(ding)在(zai)(zai)(zai)床(chuang)(chuang)身(shen)上(shang),盡可能使(shi)讀(du)(du)數(shu)頭(tou)安裝(zhuang)在(zai)(zai)(zai)主尺(chi)的(de)(de)(de)下方。其安裝(zhuang)方式的(de)(de)(de)選擇必(bi)(bi)須(xu)(xu)(xu)注(zhu)意切(qie)屑、切(qie)削液及油液的(de)(de)(de)濺落方向。如(ru)果(guo)由于安裝(zhuang)位置(zhi)限制必(bi)(bi)須(xu)(xu)(xu)采用讀(du)(du)數(shu)頭(tou)朝上(shang)的(de)(de)(de)方式安裝(zhuang)時(shi),則必(bi)(bi)須(xu)(xu)(xu)增加輔助密封(feng)裝(zhuang)置(zhi)。另外,一(yi)般(ban)情況(kuang)下,讀(du)(du)數(shu)頭(tou)應盡量安裝(zhuang)在(zai)(zai)(zai)相對機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)靜止部件(jian)上(shang),此時(shi)輸出(chu)導線不移(yi)動易(yi)固定(ding),而尺(chi)身(shen)則應安裝(zhuang)在(zai)(zai)(zai)相對機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)運動的(de)(de)(de)部件(jian)上(shang)(如(ru)滑(hua)板)。
安(an)裝光柵尺傳(chuan)感(gan)器(qi)時(shi),不(bu)能直接(jie)將傳(chuan)感(gan)器(qi)安(an)裝在(zai)(zai)粗糙不(bu)平的(de)機(ji)(ji)床(chuang)身(shen)上(shang),更不(bu)能安(an)裝在(zai)(zai)打(da)底涂(tu)漆的(de)機(ji)(ji)床(chuang)身(shen)上(shang)。光柵主尺及讀數頭分(fen)別安(an)裝在(zai)(zai)機(ji)(ji)床(chuang)相對運(yun)動(dong)(dong)的(de)兩個部(bu)件(jian)上(shang)。用千分(fen)表(biao)檢(jian)查機(ji)(ji)床(chuang)工(gong)作臺的(de)主尺安(an)裝面(mian)與導(dao)軌運(yun)動(dong)(dong)的(de)方向(xiang)平行(xing)度。千分(fen)表(biao)固定在(zai)(zai)床(chuang)身(shen)上(shang),移動(dong)(dong)工(gong)作臺,要(yao)求達(da)到(dao)平行(xing)度為0.1mm/1000mm以內(nei)。如果(guo)不(bu)能達(da)到(dao)這個要(yao)求,則需設(she)計(ji)加工(gong)一(yi)件(jian)光柵尺基座。
基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)要求做(zuo)到:(1)應加一(yi)根(gen)與(yu)光柵(zha)尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身(shen)長度(du)相等的基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)(最好基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)長出光柵(zha)尺(chi)(chi)50mm左右)。(2)該基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)通(tong)過銑、磨工序加工,保證其平(ping)面(mian)平(ping)行度(du)0.1mm/1000mm以內。另外,還需加工一(yi)件與(yu)尺(chi)(chi)身(shen)基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)等高的讀數頭(tou)基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)。讀數頭(tou)的基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)與(yu)尺(chi)(chi)身(shen)的基(ji)(ji)(ji)(ji)座(zuo)總共誤差不得大于±0.2mm。安(an)裝時,調整讀數頭(tou)位置(zhi),達(da)到讀數頭(tou)與(yu)光柵(zha)尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身(shen)的平(ping)行度(du)為0.1mm左右,讀數頭(tou)與(yu)光柵(zha)尺(chi)(chi)尺(chi)(chi)身(shen)之間的間距為1~1.5mm左右。
將光柵主(zhu)尺用M4螺釘(ding)(ding)上在機床安裝(zhuang)的工作臺(tai)(tai)安裝(zhuang)面上,但不要(yao)上緊,把千分(fen)(fen)表(biao)固定在床身上,移動工作臺(tai)(tai)(主(zhu)尺與工作臺(tai)(tai)同時移動)。用千分(fen)(fen)表(biao)測量主(zhu)尺平面與機床導軌運(yun)動方向的平行(xing)度,調整主(zhu)尺M4螺釘(ding)(ding)位置,使主(zhu)尺平行(xing)度滿足0.1mm/1000mm以內時,把M2螺釘(ding)(ding)徹(che)底上緊。
在安裝(zhuang)光(guang)柵主尺時,應注意(yi)如下三點(dian):
(1)在裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)主(zhu)尺時,如安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)超過1.5M以上的光柵時,不(bu)能象(xiang)橋梁式只安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)兩(liang)端頭,尚(shang)需在整個主(zhu)尺尺身(shen)中(zhong)有(you)支撐。(2)在有(you)基座情況下安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)好后,最好用一個卡(ka)(ka)子(zi)卡(ka)(ka)住尺身(shen)中(zhong)點(或幾點)。(3)不(bu)能安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)卡(ka)(ka)子(zi)時,最好用玻璃膠粘住光柵尺身(shen),使基尺與主(zhu)尺固定好。
在(zai)安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)讀(du)(du)數(shu)頭時,首先(xian)應保證(zheng)讀(du)(du)數(shu)頭的基(ji)面達到安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)要求,然后(hou)再安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)讀(du)(du)數(shu)頭,其安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)方法與主尺(chi)(chi)(chi)相似(si)。最后(hou)調(diao)整讀(du)(du)數(shu)頭,使讀(du)(du)數(shu)頭與光柵(zha)主尺(chi)(chi)(chi)平行度保證(zheng)在(zai)0.1mm之(zhi)內,其讀(du)(du)數(shu)頭與主尺(chi)(chi)(chi)的間隙控制在(zai)1~1.5mm以(yi)內。
光(guang)柵(zha)線位移(yi)傳感器全部安裝(zhuang)完以后,一定要在(zai)(zai)機床(chuang)導軌上安裝(zhuang)限位裝(zhuang)置,以免機床(chuang)加工(gong)產品移(yi)動時讀數(shu)頭沖撞到主尺(chi)兩端,從而損(sun)壞光(guang)柵(zha)尺(chi)。另(ling)外,用(yong)戶(hu)在(zai)(zai)選購光(guang)柵(zha)線位移(yi)傳感器時,應盡量選用(yong)超(chao)出機床(chuang)加工(gong)尺(chi)寸100mm左右的光(guang)柵(zha)尺(chi),以留有余量。
光柵線位移傳感(gan)器安裝完畢后(hou),可接通數顯表(biao),移動工作臺,觀察數顯表(biao)計(ji)數是否正常。
在機床上選取(qu)一個參考(kao)位(wei)(wei)置(zhi),來回移動工作點至該選取(qu)的位(wei)(wei)置(zhi)。數(shu)顯表(biao)讀數(shu)應相同(tong)(或(huo)(huo)回零)。另外也可使用千分表(biao)(或(huo)(huo)百分表(biao)),使千分表(biao)與(yu)數(shu)顯表(biao)同(tong)時調至零(或(huo)(huo)記憶起始數(shu)據(ju)),往(wang)返多(duo)次后回到初始位(wei)(wei)置(zhi),觀(guan)察數(shu)顯表(biao)與(yu)千分表(biao)的數(shu)據(ju)是否(fou)一致。
通過以上工作,光柵尺線位移傳(chuan)感器的(de)安(an)裝就完成了。但對于(yu)一(yi)般的(de)機床(chuang)加工環境來(lai)講,鐵屑(xie)、切削液及油污較多。因此,傳(chuan)感器應附帶(dai)加裝護罩,護罩的(de)設(she)計是按照傳(chuan)感器的(de)外形(xing)截面放大留一(yi)定的(de)空間(jian)尺寸(cun)確定,護罩通常采(cai)用橡皮密(mi)封(feng),使(shi)其具備一(yi)定的(de)防水防油能(neng)力。
(1)光柵(zha)尺傳感器(qi)與數顯(xian)表插(cha)頭座(zuo)插(cha)拔時應關閉(bi)電源后進(jin)行。
(2)盡(jin)可能外加(jia)保護罩,并及時清理濺落在尺上(shang)的(de)切屑和(he)油液(ye),嚴(yan)格防止任何異物進入光柵尺傳(chuan)感器殼(ke)體內部。
(3)定期(qi)檢查各安裝(zhuang)聯(lian)接螺(luo)釘是否(fou)松動。
(4)為延長(chang)防(fang)塵密封條的壽命(ming),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(ke)劃面(mian)上。
(5)為保證光柵(zha)尺傳感器使用的可(ke)(ke)靠(kao)性,可(ke)(ke)每隔一(yi)定(ding)時間用乙醇(chun)混合液(各50%)清洗擦拭光柵(zha)尺面(mian)及指示光柵(zha)面(mian),保持玻璃光柵(zha)尺面(mian)清潔(jie)。
(6)光(guang)柵(zha)尺傳感器嚴禁劇(ju)烈震(zhen)動及摔打,以(yi)免破壞光(guang)柵(zha)尺,如光(guang)柵(zha)尺斷裂,光(guang)柵(zha)尺傳感器即失效了。
(7)不要自行(xing)拆開光柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)傳感器,更(geng)不能任意改(gai)動主柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)與副柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的相對間(jian)距(ju),否則一(yi)(yi)方(fang)面可能破壞(huai)光柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)傳感器的精度;另一(yi)(yi)方(fang)面還(huan)可能造(zao)成(cheng)主柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)與副柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的相對摩擦,損壞(huai)鉻層也就損壞(huai)了柵(zha)(zha)線,以而造(zao)成(cheng)光柵(zha)(zha)尺(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)報廢。
(8)應注意防止油污及(ji)水(shui)污染光(guang)柵(zha)尺面,以免破壞光(guang)柵(zha)尺線條紋分布,引起測量誤差。
(9)光(guang)柵尺(chi)傳感(gan)器應盡(jin)量避免(mian)在有嚴重腐蝕作用的環(huan)境中工作,以免(mian)腐蝕光(guang)柵鉻層(ceng)及(ji)光(guang)柵尺(chi)表面,破壞光(guang)柵尺(chi)質(zhi)量。
合(he)(he)理選取(qu)光柵尺(chi),正確使用使其物盡其能(neng);也有互(hu)相矛盾的(de)(de)(de)一面(mian),安(an)裝位置(zhi)既要(yao)盡可能(neng)靠(kao)近驅動(dong)軸線,又要(yao)盡量遠離機(ji)床的(de)(de)(de)發熱(re)源(如絲(si)杠副),這就(jiu)要(yao)看機(ji)床設計師,怎樣兼顧折衷考(kao)慮各方(fang)面(mian)因素,綜(zong)合(he)(he)考(kao)慮光柵尺(chi)選型、設計、安(an)裝、捌試等因素,得(de)到比較合(he)(he)理的(de)(de)(de)性(xing)價比,勢必取(qu)得(de)比較好的(de)(de)(de)控(kong)制檢(jian)測效果。通過以上(shang)幾個(ge)步驟(zou)的(de)(de)(de)調(diao)試,一臺數控(kong)機(ji)床一般都能(neng)獲(huo)得(de)很好的(de)(de)(de)位置(zhi)精(jing)(jing)(jing)度(定(ding)位精(jing)(jing)(jing)度、重(zhong)復定(ding)位精(jing)(jing)(jing)度),達(da)到機(ji)床設計要(yao)求,能(neng)很容易滿足用戶(hu)的(de)(de)(de)需求,對數控(kong)機(ji)床的(de)(de)(de)制造廠家和使用用戶(hu)有著非凡的(de)(de)(de)現實意(yi)義。