0 前言

　　在數(shù)控系統(tǒng)中，為保證數(shù)控機床的加工精度要求，建立完善的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床保證加工精度的前提。精密的檢測裝置是數(shù)控機床加工精度的重要保證。

1 檢測裝置的種類

　　數(shù)控檢測裝置從不同的角度看可分為不同的類型：

　　a．根據(jù)被測物理量可分為位移、速度和電流三種類型；

　　b．根據(jù)安裝位置及耦合方式，分為直接測量和間接測量?；剞D型測量裝置是測量回轉角的大小，對機床的直線佗移是間接測量，其測量精度取決于測量裝置和機床傳動機構兩者的精度；直線型測量裝置是直接測量機床的直線位移量，其測量精度主要取決于測量裝置的精度，與機床傳動機構的精度無關；

　　c．按測量方法分為增量式和絕對式兩大類。絕對式是指直接把被測轉角或位移轉換成相應的代碼，指示出絕對位置，沒有累積誤差，而且掉電后位置信息不會丟失；增量式檢測裝置是測出被測轉角或位移鼉的相對值，通常是滑尺相對定尺的位移量，且以機床或工件上某一點為參考點，反映工作臺或刀具相對某參考點的增量；

　　d．按榆測信號的類型分為模擬式和數(shù)字式兩大類。數(shù)字式是指將機械位移或轉角的模擬量轉變?yōu)閿?shù)字脈沖輸出的測量裝置；模擬式是指將機械位移轉變?yōu)楦袘妱莸南辔换蚍递敵龅臏y量裝置。同一種檢測元件，既可以做成數(shù)字式也可以做成模擬式，主要取決于測量線路及使用要求；

　　e．按檢測裝置的運動形式分為旋轉型和直線型兩類。直線型位置檢測裝置用來測量運動部件的直線位移量；旋轉型位置檢測裝置朋米檢測回轉部件的轉角量(轉動位移量)來問接測量其直線位移量。

　　從信號的轉換原理可分為光電效應、光柵效應、電磁感應、壓電效應、磁阻效應等類型的檢測裝置。

2 數(shù)控機床對檢測裝置的要求

　數(shù)控機床對檢測裝置的主要要求有：

　　a．工作町靠，抗干擾能力強；

　　b．能滿足精度和速度的要求；

　　c．使用維護方便，適應機床的工作環(huán)境；

　　d．成本低。

3 光柵位置檢測裝置的構成

　　在數(shù)控檢測裝置中，種類比較多，其構造及原理各不相同。這里主要介紹光柵位置測量系統(tǒng)的構成(如圖1所示)。

圖1光柵檢測系統(tǒng)

　　光柵位置測量系統(tǒng)主要包括讀數(shù)頭和信息處理電路兩大部分。讀數(shù)頭是將機械位移鼉轉換為電信號，由光源、透鏡、標尺光柵、指示光柵和光敏元件組成；信息處理電路足將讀數(shù)頭輸出的微小信號轉換成數(shù)字脈沖信號并進行處理的電路，由放大環(huán)節(jié)、整形環(huán)節(jié)、鑒向倍頻電路、計數(shù)及控制電路組成。

3.1 光柵讀數(shù)頭

　　讀數(shù)頭的種類很多，常用的有垂直入射式讀數(shù)頭和反射光柵讀數(shù)頭。這里以垂直入射式讀數(shù)頭(見圖2)為例進行分析。

圖2垂直入射式讀數(shù)頭

　　a．光源：一般采用白熾燈，發(fā)出輻射光線；

　　b．透鏡：把光源的輻射光線經(jīng)過透鏡后變?yōu)槠叫泄馐?/p>

　　c．標尺光柵和指示光柵統(tǒng)稱為光柵尺，它們是用真空鍍膜的方法，光刻有均勻密集線紋的透明玻璃尺(線紋透明與不透明間隔相等)如圖3所示。標尺光柵固定在機床的活動部件(如工作臺或絲杠上)，指示光柵與讀數(shù)頭的其它部件安裝在機床的固定部件上(如機床底座上)，兩者隨機床工作臺的移動而相對移動。

圖3透射光柵

　　光柵尺的刻線線紋相互平行，線紋之間的距離相等，此距離稱為柵距。每毫米上的線紋數(shù)稱為線紋密度，線紋密度越大，測量精度越高。一般用黑白光柵尺可做到100條／mm，再經(jīng)過電路細分，可作到微米級的分辨率。常用的有(25、50、100、125、250)條／mm。同一個光柵尺，標尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相同；

　　d．光電池組：也稱光敏元件，是一種將光信號轉換成電信號的元件，而且光敏元件能根據(jù)光強不同，感應出不同幅值的電壓信號。

4 光柵位置檢測裝置的原理

　　光源發(fā)出的輻射光線，經(jīng)過透鏡后變?yōu)槠叫械墓馐丈涔鈻懦?。并透過光柵尺照射到光敏元件上。標尺光柵上的線紋與指示光柵上的線紋在空問形成一定角度0放置(如圖4所示)。從而形成兩光柵尺上的線紋相互交叉，在平行光束的照射下，兩光柵尺線紋交叉點附近區(qū)域，由于線紋重疊，透明區(qū)域變大，透射光線效果最好，透光的累積使這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點越遠，兩光柵尺不透明的黑線的重疊部分越少，黑線所占區(qū)域將增多，則遮光面積增大，擋光效應增強，只有少量光線透過光柵尺，從而使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直的亮、暗相間的光帶稱為莫爾條紋。嚴格地說莫當兩光柵尺相對移動時，莫爾條紋也將隨之移動，并且莫爾條紋的移動方向與兩光柵尺相對移動的方向垂直；當兩光柵尺相對移動一個柵距d時，則莫爾條紋也相應地移動莫爾條紋寬度形；若兩光柵尺相對移動方向改變時，莫爾條紋的移動方向也隨之改變。莫爾條紋由亮帶到暗帶、再由暗帶到亮帶。即透過兩光柵尺的光線強度的分布近似余弦規(guī)律。當兩光柵尺相對移動時，照射到同一點(如光敏元件)上的光強也將是按余弦規(guī)律變化的。光敏元件是一種將光強信號轉變?yōu)殡娦盘柕墓怆娹D換元件。當一束光強變化規(guī)律為余弦的光信號照射光敏元件時，光敏元件將輸出余弦規(guī)律變化的電壓信號。

圖4莫爾條紋圖

　　根據(jù)要求不同，在讀數(shù)頭內通常安裝2個或4個光敏元件(以4個光敏元件為例分析)。4個光敏元件在莫爾條紋寬度Ⅳ上均勻分布，光敏元件兩兩相距l(xiāng)／4莫爾條紋，即W／4。當兩光柵尺相對移動時，4個光敏元件輸出的電壓信號在相位上依次超前或滯后1／4周期(即1T／2)。根據(jù)光敏元件產(chǎn)生兩兩相位相差'rr／2的交變電壓信號的相位關系、變化過程及頻率，就可以確定出兩光柵尺相對移動的方向、距離及速度。

　　式中：矽一莫爾條紋的寬度；d-光柵尺的柵距；θ兩光柵尺線紋的夾角；它們三者之間的幾何關系為：

　　若取d=0.01 mm(100條／inm)，θ=057。，則由上式可得出形=1 mm。由此可看出利用光的干涉現(xiàn)象，把光柵的柵距轉換成放大了100倍的莫爾條紋寬度。由于莫爾條紋是由若干光柵線紋干涉形成的，如光柵尺長10mm，每個光敏元件也做成10 mm長，光柵線紋為100條／mm，則在光敏元件上得到莫爾條紋的光強，則是由1 000條光柵線紋而形成，則光敏元件輸出的電信號也是由這1 000條光柵線紋的光強而共同形成。由此町知，莫爾條紋對光柵各線紋之間的柵距誤差有平均效應，能消除光柵柵距不均勻造成的影響。

5 信息處理電路及原理分析

　　5.1 放大環(huán)節(jié)

　　由于光柵讀數(shù)頭(讀數(shù)頭中光敏元件)輸出微弱的交變電壓信號。常采用差動放大器進行信號放大。4個光敏元件a,b、c、d輸出的叫路信號，若a路輸出信號初相位為0°，則b路輸出信號初相位為π／2，C路輸出信號初相位為π，d路輸出信號初相位為3π／4(見圖5)。

圖5放大環(huán)節(jié)

　　將a路和C路信號(相位相差180°)加到同一差動放大器的同相輸入端和反向輸入端，將b路和d路信號加到另一差動放大器的同相及反相輸入端。兩只差動放大器輸出端將分別輸出初相位為0°和π／2的交變信號UA、UB，如圖5所示。其平均值為2.5 V。UA和UB的頻率表示了工作臺的移動速度，UA或UB每變化一個周期表示工作臺移動了一個柵距，UA與UB的相位關系表示了工作臺移動的方向。

　　5.2 整形環(huán)節(jié)

　　整形環(huán)節(jié)是將差動放大器輸出的2路交變信號，分別加到2個電壓比較器，如圖6所示。整形環(huán)節(jié)(電壓比較器)將UA及UB轉換成與交變電壓信號同頻率的隨路方波信號A及B。交變信號電壓的平均值為2.5 V，電壓比較器的比較電壓取2.5 V。當被比較電壓以(UB)低于2．5 V時，電壓比較器輸出低電平，即0 V；當被比較電壓UA(UB)高于2．5 V時，電壓比較器輸出高電平(5 V)。

　　5.3 倍頻鑒向電路

　整形環(huán)節(jié)輸出的方波信號每變化一個周期表示工作臺移動了一個柵距。倍頻電路每輸出一個脈沖，計數(shù)器就計一個數(shù)。在整形環(huán)節(jié)輸出方波信號變化一個周期中(即工作臺移動一個柵距)，倍頻電路輸出脈沖越多，光柵榆測裝置的分辨率就越高，相應機床的加工精度也就越高。倍頻電路輸出有4倍頻、10倍頻、20倍頻。若光柵尺選用100條／mm與10倍頻電路配合，可使榆測裝置的測量精度達到1μm的分辨率。(以下以4倍頻為例分析)在機床工作臺移動了一個光柵柵距時，整形環(huán)市輸出一個周期方波信號，則倍頻電路將在一個方波信號周期內輸出4個脈沖信號。因此，倍頻電路每輸出一個脈沖，就表示工作臺移動了1／4柵距。若光柵尺選用100線／ram，則該光柵測量裝置可達到2.5μm的分辨率。4倍頻線路及4倍頻線路輸出波形如圖7所示。在倍頻電路巾，時鐘頻率越高，倍頻電路輸出脈沖的誤差就越小。因此，時鐘脈沖頻率遠遠高于方波的頻率。

　　鑒向電路根據(jù)整形環(huán)市輸出的兩路方波信號的相位關系，辨別出工作臺移動的方向。倍頻電路將方波信號A、B變成pq路方波信號M1、M2、M3、M4，鑒榴電路采用雙“四選一”邏輯電路，如圖8所示，能根據(jù)方波A、B的相位關系確定Y1或Y2的輸出，當上作臺正向移動時Y1輸出計數(shù)脈沖，反之Y2輸出計數(shù)脈沖。再由可逆計數(shù)器作加計數(shù)或減計數(shù)狀態(tài)關系見表1。

6 維修實例分析

　　6.1 故障現(xiàn)象

　　在測量數(shù)據(jù)過程中丟數(shù)，(即工作臺移動傘程記錄的數(shù)據(jù)變小，而返凹到終點數(shù)據(jù)也不能減計數(shù)到零)。

　　6.2 分析原因

　　一個可能是信息處理電路的故障；另一個可能是讀數(shù)頭的故障。

　　6.3 維修過程

　　首先確定足讀數(shù)頭部分還是信息處理電路的故障。由于只是縱向工作臺移動測最數(shù)據(jù)出錯。其它方向測量數(shù)據(jù)正確。采用的方法是把縱向讀數(shù)頭的信號送到其它方向的信息處理電路，得到的結果是，測量的數(shù)據(jù)仍然是錯誤的，由此可判斷故障在讀數(shù)頭。把潑數(shù)頭的外殼打開后，光源燈亮，工作臺移動時也能看到莫爾條紋在光敏元件上上下移動，于是懷疑光敏元件損壞，通過示波器測得篾動放大器輸出信號波形幅值較低(低于2.5 V)。換七一個新的光敏元件后，故障依舊。之后發(fā)現(xiàn)透鏡松動，則懷疑透鏡的焦距、焦點改變。(透鏡支架上有調節(jié)透鏡角度的螺釘)，于是調節(jié)透鏡角度，同時移動工作臺，觀察示波器波形，在改變透鏡角度的過程中，其波形的幅值也隨之改變，調節(jié)在一個最佳位置，使其波形幅值最大。此時測量數(shù)據(jù)也正確了。將透鏡緊固后，故障排除。由分析得知，由于透鏡的松動，使焦點的位置改變，雖然能看到莫爾條紋移動，但足光強的差別變小而使波形的幅值變小。從而使得記錄數(shù)據(jù)的過程巾出現(xiàn)丟數(shù)的故障。

　　用了一段時間后，又出現(xiàn)上述類似的故障現(xiàn)象，于是懷疑還是透鏡支架松動導致，檢修時沒有發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象，調節(jié)透鏡角度時發(fā)現(xiàn)波形最大足也低于2.5 V，則故障可能足光敏元件不良，換上新的光敏元件，故障消除。