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數(shù)控機(jī)床中光柵測(cè)量裝置的應(yīng)用
數(shù)控機(jī)床中光柵測(cè)量裝置的應(yīng)用
摘要：隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床的不斷發(fā)展和壯大，我國(guó)的機(jī)床逐漸走向了高端、精細(xì)化行業(yè)，所以生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量問(wèn)題成了至關(guān)重要的一步，文章針對(duì)當(dāng)前測(cè)量裝置的現(xiàn)有技術(shù)，分布探討了機(jī)床中的光柵測(cè)量的裝置，重點(diǎn)對(duì)測(cè)量裝置的應(yīng)用和測(cè)量裝置的維護(hù)兩個(gè)方面做了比較詳細(xì)的分析和研究。
關(guān)鍵詞：測(cè)量?jī)x光柵裝置應(yīng)用分析
測(cè)量機(jī)屬于精密儀器，選擇安裝地點(diǎn)時(shí)，要考慮機(jī)器類型、外型尺寸、機(jī)器重量、結(jié)構(gòu)形式、周圍環(huán)境，如振動(dòng)情況、溫度條件、適合的吊裝，輔助設(shè)備如：合適的氣源、電源的安排等。
安裝測(cè)量機(jī)最合適的地方是溫度、濕度和振動(dòng)等都可以被穩(wěn)定控制的房間，一般不適于有陽(yáng)光的直射方向，最好朝向?yàn)楸毕蚧驔](méi)有窗戶，因?yàn)殛?yáng)光對(duì)于室內(nèi)的溫度有影響，不利于溫度的控制，本文重點(diǎn)對(duì)數(shù)控機(jī)床中的光柵測(cè)量的裝置問(wèn)題進(jìn)行了探討和研究。
1、數(shù)控機(jī)床中測(cè)量裝置的技術(shù)分析
當(dāng)前最為先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)都是采用材料累加原理，以光敏樹(shù)脂為原材料，導(dǎo)入三維圖利用Magics軟件進(jìn)行編程數(shù)據(jù)處理，能在很短的時(shí)間內(nèi)直接制造產(chǎn)品樣品，無(wú)須傳統(tǒng)的機(jī)械加工機(jī)床和模具。
設(shè)計(jì)者可以把快速成型出來(lái)的實(shí)體手板樣件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)定，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)可行性評(píng)估，根據(jù)用戶對(duì)設(shè)計(jì)方案的反饋信息，對(duì)設(shè)計(jì)方案再進(jìn)行修改和再驗(yàn)證，這樣可以得到工作性能和經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案，既節(jié)省了設(shè)計(jì)費(fèi)用，又縮短了產(chǎn)品研制周期。
它的最大的特點(diǎn)是制作過(guò)程和制作成本不受樣件本身的復(fù)雜程度影響，真正實(shí)現(xiàn)了想得到，做得到。
光柵快速成型機(jī)的具有成型速度快、精度高和表面質(zhì)量好等特點(diǎn)。
目前由上海滬量測(cè)量公司研發(fā)的RS系列SLA激光快速成型機(jī)通過(guò)了高新技術(shù)成果論定，是國(guó)內(nèi)快速成型制造設(shè)備的典型代表之一。
RS系列激光快速成型設(shè)備采用國(guó)際上最先進(jìn)的激光快速成型工藝Stereo Lithography(SL)。
SL工藝是機(jī)械、激光、光化學(xué)、軟件、控制技術(shù)的結(jié)晶,它是基于光敏樹(shù)脂受紫外光照射凝固的原理,計(jì)算機(jī)控制激光逐層掃描固化的截面是由零件的三維CAD模型軟件分層得到，直至最后得到光敏樹(shù)脂實(shí)物原型。
目前快速成型技術(shù)已經(jīng)在汽車、航空、航天、電子、家電、工業(yè)設(shè)計(jì)以及高等教育等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。
公司研發(fā)生產(chǎn)的SLA激光快速成型機(jī)已出口多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益，應(yīng)用前景十分廣闊。
2、光柵測(cè)量裝置的應(yīng)用
2.1測(cè)量原理
光柵測(cè)量是利用光的衍射原理，通過(guò)疊放的光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生與之同步移動(dòng)的莫爾條紋信號(hào)，然后通過(guò)讀數(shù)頭與后續(xù)電路，將導(dǎo)軌、工作臺(tái)的位置等信號(hào)轉(zhuǎn)變成信號(hào)讀出來(lái)，其讀數(shù)分辨率可達(dá)5nm。
當(dāng)兩塊相同的長(zhǎng)光柵跌合，如果柵線的夾角很小時(shí)，莫爾條紋的方向與光柵條紋方向近似垂直。
光柵盤上黑白刻線的相對(duì)移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)度周期性變化，此光信號(hào)經(jīng)光電池轉(zhuǎn)換成為周期性的電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析處理，就可獲得光柵相對(duì)移動(dòng)的位移量。
2.2光柵尺工作原理
光柵由光源、主光柵、指示光柵及光電元件所組成。
其中計(jì)量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來(lái)測(cè)量位移，這種方法具有測(cè)量精度高，對(duì)測(cè)量時(shí)的相對(duì)約束小等優(yōu)點(diǎn);在測(cè)量過(guò)程中，要將光源放置在主光柵的側(cè)面，光電元件放置在指示光柵的側(cè)面，當(dāng)主光柵與指示光柵發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，由于光源的照射造成兩光柵尺的線紋相交，從容產(chǎn)生了明暗相間的莫爾條紋。
光柵傳感器會(huì)產(chǎn)生近似正弦函數(shù)的曲線，指示光柵的光元件將這種放大信號(hào)進(jìn)行整合，輸入脈沖信號(hào)，最終形成了兩路相角相差90°的脈沖方波，從而進(jìn)行測(cè)量位移的大小和方向。
2.3光柵莫爾條紋的辨向
光柵信號(hào)的辨向是實(shí)現(xiàn)光柵動(dòng)態(tài)測(cè)量的關(guān)鍵步驟，因?yàn)槟獱枟l紋的光強(qiáng)度近似呈正弦曲線變化，所以光電元件所感應(yīng)的光電流也會(huì)成為近似正弦曲線的規(guī)律變化;對(duì)于這種信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整合后會(huì)形成脈沖，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息輸出，可以根據(jù)脈沖的個(gè)數(shù)確定位移量。
在測(cè)量中，可以利用計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)的增加和減少來(lái)辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，如果輸入可逆計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)累加，則莫爾條紋向正向移動(dòng)，如果輸入可逆計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)減少，則莫爾條紋反向移動(dòng)。
因此，在光柵的動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，一定要掌握光柵條紋的辨向。
3、光柵測(cè)量裝置的維護(hù)
3.1 Z軸檢測(cè)信號(hào)丟失
在數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中，由于設(shè)備磨損，導(dǎo)致零件間隙過(guò)大，或者零件損壞，都會(huì)產(chǎn)生機(jī)器故障，因此在數(shù)控機(jī)床工作期間要做好光柵測(cè)量裝置的維護(hù)工作，及時(shí)在設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。
當(dāng)光柵測(cè)量裝置使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)零件老化等問(wèn)題，出現(xiàn)信號(hào)丟失，沒(méi)有將這些數(shù)據(jù)讀入設(shè)備，最終導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤，為了保證測(cè)量過(guò)程中信號(hào)不會(huì)丟失，就要做好光柵測(cè)量裝置的維護(hù)。
在機(jī)床工作的過(guò)程中，從掃描單元輸出三組信號(hào)，其中兩組增量信號(hào)由四個(gè)光電池產(chǎn)生，把兩個(gè)相差180°的光電池連接在一起，他們的推挽就會(huì)形成兩組近似正弦波，相位相差90°的信號(hào)串;另外一組基準(zhǔn)信號(hào)也由兩個(gè)相差180°的光電池接成推挽式，輸出一個(gè)尖峰信號(hào)，這個(gè)信號(hào)智慧在晉國(guó)標(biāo)志時(shí)，產(chǎn)生，用來(lái)確認(rèn)機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。
兩組正弦波增量信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后成為三角波信號(hào)串，這些信號(hào)分頻后會(huì)在一個(gè)信號(hào)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，即所謂的倍頻處理。
增量信號(hào)經(jīng)倍頻細(xì)分后，經(jīng)輸出板處理成為矩形信號(hào)串，送入數(shù)控系統(tǒng)測(cè)量板。
而光柵尺柵距為100μm，增量信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，每一刻繪產(chǎn)生1μm，這就是機(jī)床的分辨率。
3.2加工時(shí)出現(xiàn)周期性波紋
當(dāng)機(jī)床加工過(guò)程中出現(xiàn)了表面出現(xiàn)周期性波紋的情況，觀察機(jī)床，會(huì)看到X軸電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)周期性擺動(dòng)，這是就需要檢查機(jī)械和液壓系統(tǒng)是否存在問(wèn)題，若這些部位正常工作，則故障可能出現(xiàn)X軸測(cè)量裝置，可以用雙路示波器觀察掃描單元送出的兩路正弦信號(hào);造成電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，且不穩(wěn)定的原因主要是測(cè)量裝置輸出的信號(hào)不穩(wěn)定，而造成測(cè)量值失誤，計(jì)算機(jī)因而送出的指令電壓就不穩(wěn)定，當(dāng)更換一個(gè)新的掃描單元后，機(jī)床就會(huì)恢復(fù)正常工作。
4、結(jié)語(yǔ)
雖然光柵測(cè)量裝置能達(dá)到較高的測(cè)量精度，但對(duì)操作者的要求也較高。
操作者必須了解光柵測(cè)量裝置的工作原理，熟練掌握其使用功能，才能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)地位，提高機(jī)床的加工精度，有效的進(jìn)行誤差檢測(cè)并將誤差控制到最小，以滿足用戶對(duì)加工精度的具體要求。
參考文獻(xiàn)
[1]孫亮.精密工作臺(tái)光柵定位測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J],測(cè)試技術(shù),2011.
[2]劉煥牢.數(shù)控機(jī)床幾何誤差和誤差補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)[J],機(jī)械工程師,2010.
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