機床測量系統的發展趨勢

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:31:33 來源：

　　隨著數控機床在機床制造領域的普及，現代機床在加工速度、加工精度和可靠性方面也都有了大幅提高，這在很大程度上得宜于機床用光柵測量元件。

　　單場掃描技術和絕對式測量技術是當前角度和長度測量技術發展中最主要的兩個方向，而且單場掃描技術和絕對式測量技術還可以組合應用。同時采用這兩種技術的單場掃描絕對式測量設備無論從信號質量、抗污染能力、測量速度還是可靠性來看都遠遠優于傳統測量設備，此類產品在市場上的迅速推廣也證實了這一點。

　　單場掃描技術

　　傳統的角度和長度測量設備所采用的四場成像式掃描方法中，光柵標尺與帶有類似或相同光柵結構的掃描掩膜做相對運動。穿過標尺與掩膜光線的明暗程度按標尺與掩膜相對位置的不同而有規律地變化：當標尺與掩膜的空隙吻合時，光線得以穿過；當柵線與空隙重合時，沒有光線穿過。感光元件將光強的變化轉變為電子信號。掃描掩膜上有四個掃描區，各掃描區光柵間互相錯開1/4柵距，對應于這四個掃描區的感光元件生成相位差為90°的四個正弦信號。這四個掃描信號不以零線為其中線，所以需要將四個信號兩兩相減，以獲得兩個90°相位差，中線為零線的輸出信號l1和l2。

　　新型的單場掃描技術中，掃描掩膜帶一個大尺寸光柵，其柵距與光柵標尺的柵距略有不同（圖1），由此在掃描掩膜光柵長度上會產生明暗交替現象：某些地方柵線與柵線重疊，光線可以通過；某些地方柵線與空隙重疊，光線無法通過；在這兩者之間，空隙部分被遮擋，這起到了光學過濾的作用，使得產生均勻的高正弦性信號成為可能。特制的柵狀感光元件取代了獨立感光元件，生成四個相位差為90°的掃描信號。

圖1 四場成像式光電掃描法原理

　　單場掃描光學掃描系統對角度和長度測量設備性能的提高起到了決定性的作用。它的大面積掃描區和特殊光學過濾可在測量設備全行程中產生穩定質量的掃描信號，這正是下列幾點的前提條件：信號周期內位置誤差較小；高光柵運行速度；使用直接驅動時，控制品質高。

　　在示波器XY顯示模式下可明顯地看到單場掃描的這個優點（圖2）：單場掃描光柵尺的輸出信號具有更好的圓度和更小的信號噪聲，這意味著更高的定位精度和更佳的控制品質。對直線電機而言，配備了單場掃描光柵尺后，速度控制可以更為平滑。

圖2 單場成像式光電掃描法原理

　　覆蓋光柵標尺全寬的大尺寸掃描面以及交替重復出現的條狀掃描區使得采用單場掃描原理的測量設備對污染的干擾特別不敏感，這可通過抗污染試驗來證實：即便在有大面積污染干擾時，測量設備仍任能提供高質量的測量信號（圖3），位置誤差遠低于測量設備標定精度等級所對應的誤差值。

圖3 四場與單場掃描抗污能力比較

　　與四場掃描相比，采用單場掃描因此可以在某些污染干擾場合，避免設備徹底無信號輸出情況的出現。

　　絕對式測量技術

　　所謂“絕對式測量（圖4）”是相對于增量式測量而言的。增量式測量設備通過對光柵探頭掃描過的柵線進行計數來獲得相對運動的距離數據。為了獲得絕對位置，增量式測量設備在開機后須執行過參考點動作，而絕對式測量設備以不同寬度、不同間距的柵線將絕對位置數據以編碼形式直接制作到測量設備中，測量設備開機后即可以提供絕對位置信息。通常，絕對式測量設備在絕對軌之外還同時配備有增量軌，用以進一步提高測量設備的精度與分辨率。

圖4 單場/四場掃描技術抗污性能比較（綠色：單場；紅色：四場）

　　近幾年以來，絕對式光柵因其不可取代的種種優點，得到了越來越廣泛的應用。這些優點主要體現在以下方面：

　　1. 縮減機床非生產時間

　　機床在使用過程中經常會因故障或其他原因而被迫關機重新啟動。對于僅裝備了增量式光柵的機床，開機后必須對每一軸執行通過參考點。與正常開機后通過參考點所不同的是，機床的刀具此時通常還處于加工位置，與工件有直接接觸，有時甚至還處于工件的內部（如鉆孔、攻螺紋等），為了安全地進行通過參考點，必須首先手動將刀具移出加工位置。這對于帶傾斜刀具的多軸機床更為困難，往往要耗費大量的時間和人力，因為當刀具指向與X、Y、Z軸不平行時，增加了（故障后）手動移出刀具的難度。

　　對由多臺加工設備構成的自動生產線，在其中一臺設備出現故障須重新啟動時，可能不得不對生產線內所有設備進行通過參考點，并需對未完全加工的工件進行特殊處理。配備了絕對式光柵的機床或生產線在重新開機后立刻重新獲得各軸絕對位置以及刀具的空間指向，因此可以立刻從中斷處開始繼續原來的加工程序，大大提高了機床的有效加工時間。

圖5 絕對式測量示意圖

　　2. 提高機床可靠性

　　機床的可靠性直接決定零件生產的效率和經濟性。機床每分鐘的故障時間對用戶而言都意味著成本的增加，因此，機床設計的一個趨勢是對重要部件的狀態進行實時監控。海德漢的絕對式光柵通過其雙向通信 EnDat 數據接口支持此類實時監控功能。EnDat 數據接口除了絕對位置值外，還向數控系統傳輸光柵的工作狀況，如讀數頭光源調節余量是否接近極限、讀數頭最大允許移動速度是否超標、工作溫度是否超出允許范圍等。EnDat在上述情況出現時，可向數控系統發出預警信號，此時，光柵仍可正常工作，但用戶可依據該預警信號提前采取措施。

　　光柵出現嚴重故障時，EnDat 還會向數控系統發出報警信號，數控系統可依據該信號決定是否中止加工以保護機床和工件。在排除故障時，維修人員可以按照EnDat提供的信息在最短時間內查找到故障的根源，如光柵電源過低、讀數頭工作不正常、輸出信號幅值過低等。

　　通過發送預警和報警兩個等級的故障信號，絕對式光柵可以極大地提高用戶維護工作的效率，減少光柵故障造成停機的概率，機床的可靠性也由此得到提高。

　　3. 提高機床安全性

　　為了對機床的機械運動部分進行保護，通常可以采用行程開關來確保機床各部件的運動不超出允許范圍。行程開關長期處在惡劣環境之中（冷卻液、金屬屑等），極易損壞，加上機床正常運行時較少使用到行程開關，所以無法隨時確定其功能是否仍然正常。為了保證工作安全，用戶不得不定期檢查行程開關的狀態。采用絕對式光柵的機床可以在任何時間確定機床運動部件所處位置，通過在數控系統中作相應設置可以省去行程開關，這樣既節省了機床用戶的設備維護時間，同時也避免了行程開關損壞可能帶來的安全問題，提高了機床使用時的安全性。

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