摘要：簡要介紹光柵尺在數(shù)控機床上的應(yīng)用及使用注意事項

關(guān)鍵詞：光柵尺海德漢發(fā)格間隙 數(shù)控機床

在數(shù)控機床中，光柵尺的作用是作為數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測元件，檢測機床的直線軸的實際位移是否和數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令相符。數(shù)控機床的加工精度除了由機床的機械部分決定外，光柵尺的精度（或稱“分辨率”）也是關(guān)鍵性的元件之一。光柵尺一般由“定尺”和“動尺”（讀數(shù)頭）及連接電纜組成。在世界范圍內(nèi)，德國HEIDENHAIN(海德漢)作為光柵尺界的第一品牌，為數(shù)控機床的加工精度發(fā)揮了很大作用。西班牙FAGOR（發(fā)格）光柵尺目前應(yīng)用于世界很多廠家，理所當然成為世界第二品牌。光柵尺作為數(shù)控機床的位置檢測元件，“監(jiān)督”在由數(shù)控系統(tǒng)對直線軸發(fā)出的指令下是否準確到達其位置。下面就光柵尺在數(shù)控機床上的應(yīng)用，光柵尺的安裝注意事項、調(diào)試方法及光柵尺對數(shù)控機床機械隱患的“監(jiān)督”作用闡述如下，僅供參考。

一、光柵尺在數(shù)控機床上的作用

光柵尺作為數(shù)控機床直線軸的位置檢測元件，相當于人的“眼睛”，就是“監(jiān)視”該直線軸在執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)的移動指令后，該直線軸是否真正準確地運行到數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置。如果數(shù)控機床沒有安裝光柵尺，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出直線軸的移動指令后，直線軸能否到達數(shù)控系統(tǒng)要求的位置，完全依靠數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試的精度和機械傳動精度來保障。數(shù)控機床使用一段時間后，由于電氣調(diào)試參數(shù)的修改和機械誤差的加大等原因，該直線軸很可能和數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置相差很多，這時候數(shù)控系統(tǒng)根本不知道，維修和操作機床的人員也不知道，要想知道這個差距，維修人員就要對機床進行精度檢測。所以數(shù)控機床沒有安裝光柵尺，就要定期對機床的精度進行檢查，一不小心，一旦忘記檢測數(shù)控機床的精度，很可能導(dǎo)致加工的產(chǎn)品精度超差甚至報廢。

如果數(shù)控機床的直線軸安裝了光柵尺，上述問題就不用人來操心了，由光柵尺來完成這個使命。如果該直線軸由于機械等原因沒有準確到達該位置，光柵尺作為位置檢測元件，會向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，使該直線軸能夠到達比較準確的位置，直到光柵尺的分辨率分辨不出來。這時的光柵尺充當了獨立于機床之外的監(jiān)督功能，象人的眼睛一樣，一直“監(jiān)視”著直線軸的位置，保證了直線軸能夠達到數(shù)控系統(tǒng)要求的位置。

光柵尺的精度取決于其分辨率，分辨率高低不同，價格就不同。光柵尺有玻璃光柵尺和鋼帶光柵尺之分。目前世界上能做出的玻璃光柵尺的長度約為3米長，超過3米的光柵尺就要選用鋼帶尺。

在制作新機床或舊機床改造中，采用光柵尺的目的是增加直線軸的運行準確性。但能否增加光柵尺不完全取決于是否購買光柵尺，主要取決于該直線軸的機械部分的幾何精度。光柵尺不能取代機械的精度，它只能“錦上添花”。很多人在這個問題的認識上存在偏差。如果機床的直線軸的幾何精度很差，比如一些車床Z軸采用直齒條進行傳動，反向間隙很大，該軸即使采用光柵尺后，當該軸到達數(shù)控系統(tǒng)的運行指令位置附近，由于該直線軸的傳動精度不高，不但達不到應(yīng)有的目的，反而在準確位置前后會出現(xiàn)震蕩。

數(shù)控機床的哪根直線軸安裝光柵尺要視實際情況而定。一般數(shù)控機床的X軸必須安裝光柵尺，數(shù)控磨床磨削產(chǎn)品中帶有錐度面時，一般為了保證加工的錐面的精度和表面質(zhì)量，其Z軸也安裝光柵尺。鏜銑機床的Z軸一般安裝光柵尺，其它軸視加工產(chǎn)品的精度而定。

二、光柵尺的選用、安裝注意事項、調(diào)試方法

1、光柵尺的選用

在選用光柵尺的型號時很多機床制造商或機床改造商容易憑自身想象，不和用戶溝通，最后選用的型號不滿足用戶的要求。根據(jù)本人多年的維修、使用和改造數(shù)控機床經(jīng)驗，我認為選用光柵尺時應(yīng)該考慮如下幾個問題：

1.1選用的光柵尺的信號輸出類型是差動TTL還是1vpp?這要看數(shù)控系統(tǒng)采用哪個廠家的。該數(shù)控系統(tǒng)的位置反饋接口的信號類型是什么樣，就選用相應(yīng)型號的光柵尺。

1.2采用玻璃光柵尺還是鋼帶光柵尺？玻璃光柵尺一般只能制作3米之內(nèi)，價格比鋼帶光柵尺貴，但玻璃光柵尺安裝、調(diào)試方便。鋼帶光柵尺在安裝時比較麻煩，安裝好后要調(diào)整鋼帶的松緊，以便準確控制直線軸的位移。

1.3選用光柵尺的零參考點是增量式還是距離編碼型？用戶在機床開機不回參考點時對機床的坐標值是否有要求？如果機床的尺寸比較長，為了方便，機床可以隨時回參考點，這樣比較方便，這時需要采用距離編碼型光柵尺。如果數(shù)控機床回參考點依靠撞撞塊，就采用增量式的直線光柵尺。如果用戶要求在不需要回參考點的情況下就知道該直線軸的位置坐標，可選用絕對式光柵尺，否則選用增量式光柵尺。

1.4將來的光柵尺采用經(jīng)過過濾、干燥的壓縮空氣嗎？如果用，在購買直線光柵尺時就要購買過濾器和相應(yīng)的接頭等，同時告知用戶準備氣源和壓縮空氣的過濾、干燥裝置。

下圖為發(fā)格公司的光柵尺樣表，可做參考。

根據(jù)光柵尺鋁制外殼的類型和測量長度，F(xiàn)AGOR光柵尺分類如下:

2、光柵尺的安裝注意事項

一般將主尺安裝在機床的工作臺（滑板）上，隨機床走刀而動，讀數(shù)頭固定在床身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時，則必須增加輔助密封裝置。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對機床靜止部件上，此時輸出導(dǎo)線不移動易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對機床運動的部件上（如滑板）。
　　安裝光柵尺時，不能直接將光柵尺安裝在粗糙不平的機床身上，更不能安裝在打底涂漆的機床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上，移動工作臺，要求達到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。如果不能達到這個要求，則需設(shè)計加工一件光柵尺基座或用龍門刨床將安裝光柵尺定尺的位置刨平。如果制作光柵尺基座，基座要求做到：(1)應(yīng)加一根與光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出光柵尺50mm左右）。(2)該基座通過銑、磨工序加工，保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內(nèi)。另外，還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。讀書頭離光柵尺尺身太近或太遠，在機床的直線軸運行中，會把讀數(shù)頭蹭壞，使讀數(shù)頭報廢，光柵尺尺身內(nèi)的刻度線被破壞，有可能報廢。
　　將光柵主尺用M4螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上，但不要上緊，把千分表固定在床身上，移動工作臺（主尺與工作臺同時移動）。用千分表測量主尺平面與機床導(dǎo)軌運動方向的平行度，調(diào)整主尺M4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時，把M2螺釘徹底上緊。
　　在安裝光柵主尺時，應(yīng)注意如下三點：(1)在裝主尺時，如安裝超過1.5M以上的光柵時，不能象橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個主尺尺身中有支撐。(2)在有基座情況下安裝好后，最好用一個卡子卡住尺身中點（或幾點）。(3)不能安裝卡子時，最好用玻璃膠粘住光柵尺身，使基尺與主尺固定好。
　　在安裝讀數(shù)頭時，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達到安裝要求，然后再安裝讀數(shù)頭，其安裝方法與主尺相似。最后調(diào)整讀數(shù)頭，使讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內(nèi)，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以內(nèi)。
　　光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機床導(dǎo)軌上安裝限位裝置，以免機床加工產(chǎn)品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購光柵線位移傳感器時，應(yīng)盡量選用超出機床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以留有余量。

但對于一般的機床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，傳感器應(yīng)附帶加裝護罩，護罩的設(shè)計是按照傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。
3、光柵尺的調(diào)試方法
　　采用鋼帶光柵尺時，光柵線安裝完畢后，先預(yù)緊鋼帶，然后接通數(shù)顯表，移動工作臺，觀察數(shù)顯表計數(shù)是否正常。在機床上選取一個參考位置，來回移動工作點至該選取的位置。數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表與數(shù)顯表同時調(diào)至零（或記憶起始數(shù)據(jù)），往返多次后回到初始位置，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據(jù)是否一致。如果有條件的話，可用雷尼紹激光干涉儀代替數(shù)顯表或千分表，反復(fù)檢查光柵尺的精度，在此過程中，通過調(diào)整鋼帶的松緊使之達到精確的位置，然后把鋼帶固定好。
三、數(shù)控機床中應(yīng)用的光柵尺的常見故障

在多年的數(shù)控機床維修中，我總結(jié)了光柵尺出現(xiàn)的常見故障：

1、直線軸在回參考點中，找不到零脈沖。在表現(xiàn)形式上就是該軸在回參考點時一直運行直到撞到該軸的限位。

這種故障一般是讀數(shù)頭或光柵尺骯了，把讀數(shù)頭卸下來用無水乙醇沖洗干凈，用絲綢布沾上無水乙醇把帶有刻度部分清潔干凈即可。

2、數(shù)控機床的直線軸在運行中出現(xiàn)報警。

如果采用西門子840D或德國力士樂數(shù)控系統(tǒng)，出現(xiàn)報警“硬件編碼器錯誤”；如果采用西班牙FAGOR數(shù)控系統(tǒng)，會出現(xiàn)“跟隨誤差超界”。這種情況下，由于震動或其它原因，一般是機床在使用中使讀數(shù)頭與光柵刻度尺的距離遠了，數(shù)控系統(tǒng)誤認為光柵尺壞了。處理該故障的方法是按光柵尺說明書的要求調(diào)整讀數(shù)頭與光柵尺的距離。讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右，最好別超過2mm.。

出現(xiàn)上述故障的另外一種原因是光柵尺的安裝位置不合適，如安裝在油池附近，油氣等將光柵尺污染，這時候就要把光柵尺的“定尺”和“動尺”分別進行清潔，然后再安裝之后進行光柵尺的調(diào)試才可使用。

還有一種故障情況也會出現(xiàn)上述報警，那就是由于讀數(shù)頭的位置安裝不合適，造成讀數(shù)頭損壞，更有甚者，光柵尺定尺內(nèi)出現(xiàn)鋁合金碎屑，光柵刻線出現(xiàn)損壞，造成光柵尺定尺的徹底報廢。

3、數(shù)控機床的直線軸出現(xiàn)暴走

當數(shù)控機床的直線軸安裝有光柵尺時，如果該直線軸出現(xiàn)暴走，一般情況下是該直線軸的位置檢測元件————光柵尺被污染，需要對光柵尺的光柵或讀數(shù)頭進行保潔才可消除故障。

四、光柵尺的其它功能

在多年的數(shù)控機床維修中，我們發(fā)現(xiàn)光柵尺作為數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測元件，在機床的機械部分良好的情況下，可以提高機床直線軸的定位精度。除此之外，光柵尺還可以檢測機床機械部分存在的隱患或問題，下面就幾個維修案例進一步說明。

1、HG3018美國進口磨床機床顫抖

從美國CAPCO公司進口的HG3018軋輥數(shù)控磨床，采用德國BOSCHCC220數(shù)控系統(tǒng)，加工直徑750mm，加工長度4500mm.。X、Z軸（砂輪架的橫向移動軸簡稱“X”軸，拖板的縱向移動簡稱“Z”軸）的移動依靠交流伺服電機帶動減速機，減速機與滾珠絲杠連接通過同步齒形帶來實現(xiàn)。X軸為全閉環(huán)控制方式，位移檢測元件采用德國海德漢玻璃光柵尺。十幾年前，機床出現(xiàn)了一個奇怪的故障現(xiàn)象：在機床操作者無意中拿木條輕輕擊打機床砂輪架外殼體時，人站在工作臺上，感覺機床產(chǎn)生劇烈的顫動。從這個現(xiàn)象看，該故障的產(chǎn)生，肯定帶有機床本身的一些動作，絕對不是純粹的機床某個零部件松了，人拿木頭條輕輕“砸”機床外殼導(dǎo)致的結(jié)果。經(jīng)查證，是X軸的滾珠絲杠背冒松造成的：當人拿木條輕輕砸機床砂輪架外殼時，因為X軸的驅(qū)動依靠滾珠絲杠來實現(xiàn)，很輕便，由于X軸滾珠絲杠背冒松動，故砂輪架會有一個微小的移動。這時候，數(shù)控系統(tǒng)檢測到在沒有發(fā)出X軸移動信號的情況下，X軸移動了，肯定是“非法的”，這時候數(shù)控系統(tǒng)會發(fā)出與砂輪架移動方向反向的“給定”信號，使砂輪架反向移動。由于滾珠絲杠背冒的松動，X軸反向移動時會走過頭，此時砂輪架在數(shù)控系統(tǒng)的指揮下，又向與之前移動方向反向移動。。。。。如此往復(fù)，造成砂輪架的震動。

在長期對數(shù)控機床的維修中，我們發(fā)現(xiàn)，光柵尺不僅僅作為位置環(huán)的檢測元件，還能成為機床直線軸的“監(jiān)督”元件。當機械存在故障隱患時，如果該軸采用光柵尺控制，該故障隱患會通過光柵尺將隱患“放大”，以故障的形式表現(xiàn)出來。沒有采用光柵尺的機床，出現(xiàn)機械故障隱患時，往往不容易表現(xiàn)出來，直至故障隱患擴大化，變成硬性故障。

2、C61200數(shù)控車床加工軋輥輥身時出現(xiàn)X軸前后竄動

我公司從武重購買的C61200車床經(jīng)過數(shù)控化改造后，采用西班牙FAGOR8055TC數(shù)控系統(tǒng)。該機床有一天在加工軋輥時，由于軋輥的輥身比較偏，致使當機床的刀具吃上輥身尺寸較大的地方時，在無操作的情況下，X軸自行往遠離軋輥的方向移動。當?shù)毒呓佑|上軋輥輥身尺寸比較“瘦”的地方時，X軸自行向靠近軋輥的方向移動。

我們首先對該機床的數(shù)控系統(tǒng)進行檢查，發(fā)現(xiàn)X軸在加上“使能”信號的情況下，其交流伺服電機加上了自鎖力。當把X軸的位置檢測元件屏蔽掉后，改成半閉環(huán)，再進行吃刀加工，發(fā)現(xiàn)之前的X軸前后竄動的現(xiàn)象消失了。看到這種現(xiàn)象后，有人判斷認為是光柵尺出了問題，而我認為恰恰是X軸光柵尺完好無損，才可以發(fā)現(xiàn)機械存在的隱患。通過檢查X軸滾珠絲杠，發(fā)現(xiàn)是滾珠絲杠的背帽松了。正因為X軸滾珠絲杠的背帽松了，在刀具接觸上軋輥輥身尺寸比較大的地方時，由于軋輥輥身對X軸有一個“頂”力，X軸被“頂”向遠離軋輥直徑的方向。用于檢測X軸的位置的光柵尺發(fā)現(xiàn)在沒有數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令的情況下，X軸向“+X”方向（遠離軋輥輥身的方向）移動，光柵尺的作用是，通過檢測直線軸在數(shù)控指令的作用下，該直線軸移動是否準確，并把信號送入數(shù)控系統(tǒng)，對該軸的移動位置進行校正。依據(jù)此，當?shù)毒呓佑|上軋輥輥身尺寸比較“瘦”的地方時，之前由于外力“頂”跑X軸后，X軸在無“頂”力的情況下,通過光柵尺的作用，把X軸拉回數(shù)控系統(tǒng)使其定位的位置，故加工偏輥時，X軸由于滾珠絲杠背帽的松動使其產(chǎn)生來回竄動。

3、 齊重RT125數(shù)控車床移動Z軸時出現(xiàn)震動

我們從齊重購買的RT125數(shù)控車床，有一天在移動Z軸時出現(xiàn)震動，我們原認為是光柵尺出了問題，后來經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該車床的導(dǎo)軌上表面被鐵屑劃出痕跡所致。驗證自己判斷故障產(chǎn)生的原因是否正確的方法是，將該軸的控制方式改為半閉環(huán)即將光柵尺屏蔽掉，這種震動即可消失或減輕了很多。此時有人會說那就干脆屏蔽掉光柵尺后使機床工作吧。這只是臨時措施，該軸屏蔽掉光柵尺后的加工精度肯定比以前要降低很多。

在十幾年的數(shù)控機床維修中，我們遇到了無數(shù)的和光柵尺有關(guān)聯(lián)的故障，基本上都是機械本身出現(xiàn)了問題。這說明光柵尺還可以把數(shù)控機床潛在的機械存在的問題檢測出來，并以故障的形式表現(xiàn)出來。

五、光柵尺的使用注意事項

在平時的光柵尺的使用中，一定要注意合理的維護方法，下面是總結(jié)出來的光柵尺使用注意事項：

　　1、如果有條件，最好為光柵尺通上干凈的經(jīng)過過濾、干燥的壓縮空氣，這樣可以防止光柵尺的周圍的油、液、氣進入光柵尺內(nèi)部，污染光柵尺。

　　2、光柵尺外盡可能外加保護罩，并及時清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異物進入光柵尺殼體內(nèi)部。

　　3、定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動，尤其是固定讀數(shù)頭的螺絲。曾遇到過很多由于讀數(shù)頭固定螺絲松動造成的機床直線軸暴走或不能回參考點等。

　　4、為保證光柵尺傳感器使用的可靠性，可每隔一定時間用無水乙醇清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔。

　　5、光柵尺嚴禁劇烈震動及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂。

6、在安裝光柵尺和讀數(shù)頭時特別要注意讀數(shù)頭與光柵尺的距離，或遠或近都可能造成讀數(shù)頭的損壞或光柵尺殼體內(nèi)的刻度的破壞，甚至報廢光柵尺。

7、若光柵尺的定尺采用鋼帶型，在抽出帶有刻線的鋼帶，經(jīng)過清潔后再裝上后一定要經(jīng)過調(diào)試后再使用，調(diào)試的方法見本文，否則可能造成加工的產(chǎn)品報廢。

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