0 前言

　　在數(shù)控系統(tǒng)中，為保證數(shù)控機(jī)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(jī)床保證加工精度的前提。精密的檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床加工精度的重要保證。

1 檢測(cè)裝置的種類(lèi)

　　數(shù)控檢測(cè)裝置從不同的角度看可分為不同的類(lèi)型：

　　a．根據(jù)被測(cè)物理量可分為位移、速度和電流三種類(lèi)型；

　　b．根據(jù)安裝位置及耦合方式，分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?；剞D(zhuǎn)型測(cè)量裝置是測(cè)量回轉(zhuǎn)角的大小，對(duì)機(jī)床的直線(xiàn)佗移是間接測(cè)量，其測(cè)量精度取決于測(cè)量裝置和機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩者的精度；直線(xiàn)型測(cè)量裝置是直接測(cè)量機(jī)床的直線(xiàn)位移量，其測(cè)量精度主要取決于測(cè)量裝置的精度，與機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度無(wú)關(guān)；

　　c．按測(cè)量方法分為增量式和絕對(duì)式兩大類(lèi)。絕對(duì)式是指直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，指示出絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，而且掉電后位置信息不會(huì)丟失；增量式檢測(cè)裝置是測(cè)出被測(cè)轉(zhuǎn)角或位移鼉的相對(duì)值，通常是滑尺相對(duì)定尺的位移量，且以機(jī)床或工件上某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，反映工作臺(tái)或刀具相對(duì)某參考點(diǎn)的增量；

　　d．按榆測(cè)信號(hào)的類(lèi)型分為模擬式和數(shù)字式兩大類(lèi)。數(shù)字式是指將機(jī)械位移或轉(zhuǎn)角的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖輸出的測(cè)量裝置；模擬式是指將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電勢(shì)的相位或幅值輸出的測(cè)量裝置。同一種檢測(cè)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(cè)量線(xiàn)路及使用要求；

　　e．按檢測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)形式分為旋轉(zhuǎn)型和直線(xiàn)型兩類(lèi)。直線(xiàn)型位置檢測(cè)裝置用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件的直線(xiàn)位移量；旋轉(zhuǎn)型位置檢測(cè)裝置朋米檢測(cè)回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)角量(轉(zhuǎn)動(dòng)位移量)來(lái)問(wèn)接測(cè)量其直線(xiàn)位移量。

　　從信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理可分為光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)、壓電效應(yīng)、磁阻效應(yīng)等類(lèi)型的檢測(cè)裝置。

2 數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的要求

　數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的主要要求有：

　　a．工作町靠，抗干擾能力強(qiáng)；

　　b．能滿(mǎn)足精度和速度的要求；

　　c．使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床的工作環(huán)境；

　　d．成本低。

3 光柵位置檢測(cè)裝置的構(gòu)成

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

圖1光柵檢測(cè)系統(tǒng)

　　光柵位置測(cè)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(jī)械位移鼉轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由光源、透鏡、標(biāo)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)并進(jìn)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(jì)數(shù)及控制電路組成。

3.1 光柵讀數(shù)頭

　　讀數(shù)頭的種類(lèi)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(jiàn)圖2)為例進(jìn)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(xiàn)；

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

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

圖3透射光柵

　　光柵尺的刻線(xiàn)線(xiàn)紋相互平行，線(xiàn)紋之間的距離相等，此距離稱(chēng)為柵距。每毫米上的線(xiàn)紋數(shù)稱(chēng)為線(xiàn)紋密度，線(xiàn)紋密度越大，測(cè)量精度越高。一般用黑白光柵尺可做到100條／mm，再經(jīng)過(guò)電路細(xì)分，可作到微米級(jí)的分辨率。常用的有(25、50、100、125、250)條／mm。同一個(gè)光柵尺，標(biāo)尺光柵和指示光柵的線(xiàn)紋密度必須相同；

　　d．光電池組：也稱(chēng)光敏元件，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件，而且光敏元件能根據(jù)光強(qiáng)不同，感應(yīng)出不同幅值的電壓信號(hào)。

4 光柵位置檢測(cè)裝置的原理

　　光源發(fā)出的輻射光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)透鏡后變?yōu)槠叫械墓馐丈涔鈻懦?。并透過(guò)光柵尺照射到光敏元件上。標(biāo)尺光柵上的線(xiàn)紋與指示光柵上的線(xiàn)紋在空問(wèn)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(xiàn)紋相互交叉，在平行光束的照射下，兩光柵尺線(xiàn)紋交叉點(diǎn)附近區(qū)域，由于線(xiàn)紋重疊，透明區(qū)域變大，透射光線(xiàn)效果最好，透光的累積使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)越遠(yuǎn)，兩光柵尺不透明的黑線(xiàn)的重疊部分越少，黑線(xiàn)所占區(qū)域?qū)⒃龆?，則遮光面積增大，擋光效應(yīng)增強(qiáng)，只有少量光線(xiàn)透過(guò)光柵尺，從而使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線(xiàn)紋幾乎垂直的亮、暗相間的光帶稱(chēng)為莫爾條紋。嚴(yán)格地說(shuō)莫當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也將隨之移動(dòng)，并且莫爾條紋的移動(dòng)方向與兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直；當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d時(shí)，則莫爾條紋也相應(yīng)地移動(dòng)莫爾條紋寬度形；若兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)方向改變時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)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(guò)兩光柵尺的光線(xiàn)強(qiáng)度的分布近似余弦規(guī)律。當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí)，照射到同一點(diǎn)(如光敏元件)上的光強(qiáng)也將是按余弦規(guī)律變化的。光敏元件是一種將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)一束光強(qiáng)變化規(guī)律為余弦的光信號(hào)照射光敏元件時(shí)，光敏元件將輸出余弦規(guī)律變化的電壓信號(hào)。

圖4莫爾條紋圖

　　根據(jù)要求不同，在讀數(shù)頭內(nèi)通常安裝2個(gè)或4個(gè)光敏元件(以4個(gè)光敏元件為例分析)。4個(gè)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(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí)，4個(gè)光敏元件輸出的電壓信號(hào)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(hào)的相位關(guān)系、變化過(guò)程及頻率，就可以確定出兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)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(xiàn)紋的夾角；它們?nèi)咧g的幾何關(guān)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(zhuǎn)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(xiàn)紋干涉形成的，如光柵尺長(zhǎng)10mm，每個(gè)光敏元件也做成10 mm長(zhǎng)，光柵線(xiàn)紋為100條／mm，則在光敏元件上得到莫爾條紋的光強(qiáng)，則是由1 000條光柵線(xiàn)紋而形成，則光敏元件輸出的電信號(hào)也是由這1 000條光柵線(xiàn)紋的光強(qiáng)而共同形成。由此町知，莫爾條紋對(duì)光柵各線(xiàn)紋之間的柵距誤差有平均效應(yīng)，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(hào)。常采用差動(dòng)放大器進(jìn)行信號(hào)放大。4個(gè)光敏元件a,b、c、d輸出的叫路信號(hào)，若a路輸出信號(hào)初相位為0°，則b路輸出信號(hào)初相位為π／2，C路輸出信號(hào)初相位為π，d路輸出信號(hào)初相位為3π／4(見(jiàn)圖5)。

圖5放大環(huán)節(jié)

　　將a路和C路信號(hào)(相位相差180°)加到同一差動(dòng)放大器的同相輸入端和反向輸入端，將b路和d路信號(hào)加到另一差動(dòng)放大器的同相及反相輸入端。兩只差動(dòng)放大器輸出端將分別輸出初相位為0°和π／2的交變信號(hào)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(tái)的移動(dòng)速度，UA或UB每變化一個(gè)周期表示工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)柵距，UA與UB的相位關(guān)系表示了工作臺(tái)移動(dòng)的方向。

　　5.2 整形環(huán)節(jié)

　　整形環(huán)節(jié)是將差動(dòng)放大器輸出的2路交變信號(hào)，分別加到2個(gè)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(zhuǎn)換成與交變電壓信號(hào)同頻率的隨路方波信號(hào)A及B。交變信號(hào)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(dāng)被比較電壓以(UB)低于2．5 V時(shí)，電壓比較器輸出低電平，即0 V；當(dāng)被比較電壓UA(UB)高于2．5 V時(shí)，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(hào)每變化一個(gè)周期表示工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)柵距。倍頻電路每輸出一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器就計(jì)一個(gè)數(shù)。在整形環(huán)節(jié)輸出方波信號(hào)變化一個(gè)周期中(即工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)柵距)，倍頻電路輸出脈沖越多，光柵榆測(cè)裝置的分辨率就越高，相應(yīng)機(jī)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(cè)裝置的測(cè)量精度達(dá)到1μm的分辨率。(以下以4倍頻為例分析)在機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)光柵柵距時(shí)，整形環(huán)市輸出一個(gè)周期方波信號(hào)，則倍頻電路將在一個(gè)方波信號(hào)周期內(nèi)輸出4個(gè)脈沖信號(hào)。因此，倍頻電路每輸出一個(gè)脈沖，就表示工作臺(tái)移動(dòng)了1／4柵距。若光柵尺選用100線(xiàn)／ram，則該光柵測(cè)量裝置可達(dá)到2.5μm的分辨率。4倍頻線(xiàn)路及4倍頻線(xiàn)路輸出波形如圖7所示。在倍頻電路巾，時(shí)鐘頻率越高，倍頻電路輸出脈沖的誤差就越小。因此，時(shí)鐘脈沖頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)的相位關(guān)系，辨別出工作臺(tái)移動(dòng)的方向。倍頻電路將方波信號(hào)A、B變成pq路方波信號(hào)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(guān)系確定Y1或Y2的輸出，當(dāng)上作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)Y1輸出計(jì)數(shù)脈沖，反之Y2輸出計(jì)數(shù)脈沖。再由可逆計(jì)數(shù)器作加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)狀態(tài)關(guān)系見(jiàn)表1。

6 維修實(shí)例分析

　　6.1 故障現(xiàn)象

　　在測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)程中丟數(shù)，(即工作臺(tái)移動(dòng)傘程記錄的數(shù)據(jù)變小，而返凹到終點(diǎn)數(shù)據(jù)也不能減計(jì)數(shù)到零)。

　　6.2 分析原因

　　一個(gè)可能是信息處理電路的故障；另一個(gè)可能是讀數(shù)頭的故障。

　　6.3 維修過(guò)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(tái)移動(dòng)測(cè)最數(shù)據(jù)出錯(cuò)。其它方向測(cè)量數(shù)據(jù)正確。采用的方法是把縱向讀數(shù)頭的信號(hào)送到其它方向的信息處理電路，得到的結(jié)果是，測(cè)量的數(shù)據(jù)仍然是錯(cuò)誤的，由此可判斷故障在讀數(shù)頭。把潑數(shù)頭的外殼打開(kāi)后，光源燈亮，工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)也能看到莫爾條紋在光敏元件上上下移動(dòng)，于是懷疑光敏元件損壞，通過(guò)示波器測(cè)得篾動(dòng)放大器輸出信號(hào)波形幅值較低(低于2.5 V)。換七一個(gè)新的光敏元件后，故障依舊。之后發(fā)現(xiàn)透鏡松動(dòng)，則懷疑透鏡的焦距、焦點(diǎn)改變。(透鏡支架上有調(diào)節(jié)透鏡角度的螺釘)，于是調(diào)節(jié)透鏡角度，同時(shí)移動(dòng)工作臺(tái)，觀察示波器波形，在改變透鏡角度的過(guò)程中，其波形的幅值也隨之改變，調(diào)節(jié)在一個(gè)最佳位置，使其波形幅值最大。此時(shí)測(cè)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(dòng)，使焦點(diǎn)的位置改變，雖然能看到莫爾條紋移動(dòng)，但足光強(qiáng)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(guò)程巾出現(xiàn)丟數(shù)的故障。

　　用了一段時(shí)間后，又出現(xiàn)上述類(lèi)似的故障現(xiàn)象，于是懷疑還是透鏡支架松動(dòng)導(dǎo)致，檢修時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，調(diào)節(jié)透鏡角度時(shí)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。