光柵尺的選型安裝與調試DEMO

1、線性光柵尺選型(1) 準確度等級的選擇 數(shù)控機床配置線性光柵尺是了提高 線性坐標軸的定值精度、再復定位精度，所以光柵尺的準 確度等級是首先要考慮的，光柵尺準確度等級有±0.01mm、土 0.005mm、土 0.003mm、土 0.02mm。而我們 在設計數(shù)控機床時根據(jù)設計精度要求來選擇準確度等級， 值得注意的是在選用高精度光柵尺時要考慮光柵尺的熱 性能，它是機床工作精確度的關鍵環(huán)節(jié)，即要求光柵尺的 刻線載體的熱膨脹系數(shù)與機床光柵尺安裝基體的熱膨脹 系數(shù)相一致，以克服由于溫度引起的熱變形。另外光柵尺最大移動速度可達120m/min，目前可完全滿足數(shù)控機床設計要求；單個光柵尺最大長度為3

2、040mm，如控制線性坐標軸大于3040mm 時可采用光柵尺對接的方式達到所需長度。(2) 測量方式的選擇 光柵尺的測量方式分增量式光柵尺 和絕對式光柵尺兩種，所謂增量式光柵尺就是光柵掃描頭 通過讀出到初始點的相對運動距離而獲得位置信息，為了獲得絕對位置，這個初始點就要刻到光柵尺的標尺上作為 參考標記，所以機床開機時必須回參考點才能進行位置控制。而絕對式光柵尺以不同寬度、不同問距的閃現(xiàn)柵線將 絕對位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到光柵上， 在光柵尺通 電的同時后續(xù)電子設備即可獲得位置信息， 不需要移動坐 標軸找參考點位置，絕對位置值從光柵刻線上直接獲得。絕對式光柵尺比增量式光柵尺成本高20 %左右，

3、機床設計師因考慮數(shù)控機床的性價比，一般選用增量式光柵尺， 既能保證機床運動精度又能降低機床成本。但是絕對式光柵尺開機后不需回參考點的優(yōu)點是增量式光柵尺無法比 擬的，機床在停機或故障斷電后開機可直接從中斷處執(zhí)行 加工程序，不但縮短非加工時間提高生產(chǎn)效率，而且減小 零件廢品率。因此在生產(chǎn)節(jié)拍要求格或由多臺數(shù)控機床構 成的自動生產(chǎn)線上選用絕對式光柵尺是最為理想的。(3)輸出信號的選擇光柵尺的輸出信號分電流正弦波信號、電壓正弦波信號、TTL矩形波信號和TTL差動矩形波信號四種，雖然光柵尺輸出信號的波形不同對數(shù)控機床線性坐標軸的定位精度、重復定位精度沒有影響，但必須與 數(shù)控機床系統(tǒng)相匹配，如果輸出信號的

4、波形與數(shù)控機床系 統(tǒng)不匹配，導致機床系統(tǒng)無法處理光柵尺的輸出信號，反 饋信息、補償誤差對機床線性坐標軸全閉環(huán)控制無從談 起。在實踐中確有輸出信號的波形與數(shù)控機床系統(tǒng)不匹配的情況，不過處理此情況也有辦法，只要在輸出信號與機 床系統(tǒng)間加裝一個數(shù)字化電子裝置(如：HEIDENHAINDE的IBV600系列的細分和數(shù)字化電子裝置 )，就很容易解決 了。SCR3923光柵尺光柵尺二、線性光柵尺的結構設計光柵尺的結構設計與安裝比光柵尺選型更重要，無論哪個環(huán)節(jié)處理不當，都嚴重影響光柵尺的控制精度，有可能出 現(xiàn)全閉環(huán)精度反而不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。1. 行走姿勢對光柵尺檢測精度的影響(1)驅動軸線與載重中點位置的重

5、合度眾所周知，推著物體移動時，如果沒有推到其中點位置，很容易造成物體轉 動，出現(xiàn)擺動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。要求動軸線盡量與載重中點 位置重合，而實踐中由于受結構、加工誤差的限制，驅動 軸線與載重中點位置有一定的距離，導致了絲杠拖動載重物時出現(xiàn)了擺動的現(xiàn)象(2)導軌阻尼特性的一致性 兩條導軌阻尼特性的一致性也 是一項很重要的影響因素。 兩條導軌阻尼特性的不一致也 很容易造成物體出現(xiàn)擺動的現(xiàn)象，如圖 1所示。(3) 光柵尺的安裝位置盡可能靠近驅動軸線 大多數(shù)機床的 線性坐標軸驅動系統(tǒng)一般都是運用精密滾珠絲杠副， 理論 上要求光柵尺盡量安裝在靠近絲杠副軸線的位置上， 這樣 的話，光柵尺的安裝符合了阿貝誤差最

6、小化的原則，即要 求光柵尺安裝位置靠近控制軸的工作基準面， 越近所形成 的阿貝誤差越小，光柵尺控制的位置精度越高，機床定位 精度越好。但實踐中由于受結構和空間的限制，光柵尺的 安裝方式只有兩種，一種是安裝在近絲杠副側，另一種是 安裝在導軌外側。為了取得最小的阿貝誤差，推薦盡可能 選取第一種安裝方式。反之，選擇了高精度的光柵尺，而 實際沒有達到數(shù)控機床所要求的精度。雖然光柵尺的安裝位置比較靠近驅動軸線，但是安裝位置 畢竟與驅動軸線有一定距離，這一點距離和驅動時物體的擺動相結合后，對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。 當驅動物體向光柵尺安裝側擺動時，光柵尺在檢測時誤認為移動速度不足，系統(tǒng)則給出加速

7、信號，而驅動物體馬上 向另一側擺動，光柵尺在檢測時又誤認為移動速度太快， 系統(tǒng)則給出減速信號，這樣反反復復運行，居然沒有改善 數(shù)控機床各線性坐標軸的控制，反而加劇了驅動物體的振動，導致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。由此看來，驅 動物體驅動軸線的位置設計、光柵尺的安裝位置和兩條導軌的阻尼特性至關重要，必須引起機床設計師的高度重 視，在設計機床時必須認真考慮備方面因素，勢必取得良 好的、滿足設汁要求的效果。2. 光柵尺定尺、滑尺的安裝面及滑尺支架具有足夠剛性和 強度光柵尺安裝位置要有足夠剛性和強度也是保證光柵尺正 常工作的關鍵環(huán)節(jié)。光柵尺是通過光電掃描原理來工作 的，因此光柵尺不能處于強振動狀態(tài)，

8、振動引起光源不穩(wěn) 定影響光柵尺的控制精度。 所以安裝位置最好與機床的堅 固鑄件為一體，即使由于結構原因需用連接件，那么要求 連接件與機體之間的整個結合而接觸良好，連接剛性足， 以防止結合與連接處產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)引起強振動影響光柵尺的正常工作，最終導致加工中心定位精度的降低。3. 光柵尺安裝位置應盡量遠離機床的發(fā)熱源 光柵尺安裝位置應盡量遠離機床的發(fā)熱源， 以避免溫度的 影響，、光柵尺本來不怕受熱，整體環(huán)境溫度對光柵尺的 影響很小，可是機床的熱源 ( 如滾珠絲杠副 )在局部產(chǎn)生不 確定溫升而產(chǎn)生誤差， 并且這種誤差很難控制也很難實時 修正和補償，如果光柵尺貼近這些地方，勢必影響光柵尺 的控制精度。4

9、. 光柵尺安裝位置的防護非常重要(1) 在現(xiàn)代機床中，用戶一般都要求大流量冷卻，而在大 流量沖洗時，會有切削液飛濺到光柵尺上，光柵尺的工作 環(huán)境也充滿了潮濕、帶有冷卻噴霧的空氣，在這種環(huán)境下 光柵容易產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，掃瞄頭上易結下一層薄膜。這樣 以來，就會導致光柵尺的光線投射不佳，再加上光柵容易 留下水跡，嚴重影響光柵的測量。如果加工后的切屑在光 柵附近堆積造成排屑、排水不暢，會致使光柵尺浸泡在切 削液和雜質中，有從而影響到光柵的使用，更嚴重的會使 光柵尺損壞，使整機處于癱瘓狀態(tài)。(2) 如果光柵尺處于很強的冷卻噴霧或粉塵中， 可通過壓縮 空氣處理，但壓縮空氣必須經(jīng)過過濾器凈化，并按 ISO 8

10、573 1 符合下列雜質質量等級要求，見附表所示。三、線性光柵尺的安裝光柵尺的結構見圖 2 所示，它是由定尺體 1 和動尺讀數(shù)頭 2 組成。光柵尺的定尺體是一個鋁外殼，用以保護其內的 標尺、掃描單元及其導軌不受切屑、 灰塵和噴濺水的傷害。 動尺讀數(shù)頭包含掃描單元、精密連接器及安裝塊組成，精 密連接器將掃描單元與安裝塊連接， 用來補償少量的導軌 機械誤差。1. 安裝具的設計從圖 2 中不難看出， 1.5mm± 0.2mm、 2mm 尺寸對光柵尺 的測量非常重要，安裝時必須保證。還有一方面因素，定尺體和動尺讀數(shù)頭為非剛性連接，且掃描單元與安裝塊用 精密連接器彈性連接，由此看來，光柵尺的正

11、確安裝并非 是一件容易的事。為此，經(jīng)多次研究設計了一個既經(jīng)濟又 實用的專用安裝具，見圖 3所示。2. 調整安裝光柵尺的調整安裝是光柵尺使用過程中一個不容忽視的 環(huán)節(jié)，調整安裝的好與壞直接影響光柵尺檢測、控制工作 的質量，所以必須引起足夠的重視。現(xiàn)以XH768型臥式加工中心Z向線性坐標軸為例，介紹光柵尺的調整安裝過 程。(1) 光柵尺安裝基準面的加工加工光柵尺定尺、動尺的安裝基準面，保證與導軌的平行在 0.02mm以內，按坐標尺 寸加工出定尺結合螺釘孔。(2) 清理各安裝基準面，將專用安裝具1固定在定尺安裝面上，動尺支架2與專用安裝具可靠連接，按實測尺寸配磨 調整墊3，配作動尺支架與滑座結合螺釘

12、及錐銷，見圖4所示。（3）取下專用安裝具，將光柵尺4安裝至位置即可四、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的調整1.反向間隙的補償首先要求機械安裝完成后的反向間隙必須保證在一定范圍內。反向間隙在不同速度下切換方向時的數(shù)值不同，所 以反向間隙補償時對進給和快速移動分開進行補償，傳統(tǒng)習慣上只是設定前者， 這是不科學的。以FANUC Oi系統(tǒng) 為例，說明如下：參數(shù)：P1851 :各軸進給時的反向間隙補償值。沒定值：按切削進給（一般取5001000mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀測量）。參數(shù)：P1852 .各軸快速時的反向間隙補償值。設定值：按快速（例如10000mm/min）時檢測的反向間隙值 設定（用激

13、光干涉儀測量）。參數(shù)：P1800#4 RBK。設定值：此位參數(shù)設定為 1，則切削和快速的反向間隙可 以分別生效。2.螺距誤差的補償數(shù)控系統(tǒng)一般每軸設置最大可達128點的螺距誤差補償點數(shù)。必要時，可對某軸進行補償，一般習慣是按50mm或100mm的間隔進行補償，為了提高精度，建議用5mm 或10mm的間隔進行補償，效果更好。3. 補償計數(shù)器的設定全閉環(huán)控制時，通常設定補償計數(shù)器，以 FANUCOi系統(tǒng) 為例，說明如下：參數(shù)：P2010#5 HBBL反向問隙補償值 加到誤差計數(shù)器中。設定值：設定為0，表示為半閉環(huán)方式（標準設定）。參數(shù)：P2010#4 HBPE 螺距誤差補償值加到誤差計數(shù)器 中。設定值：設定為0，表示為全閉環(huán)方式（標準設定）。4. 提高增益設定在無振動的前提下， 盡量提高位置環(huán)增益 P1825，速度環(huán)增益P2043、P2045及負載慣量比 P2021等參數(shù)。五、結論總結分析以上因素，有互相統(tǒng)一的一面，合理選取光柵尺， 正確使用使其物盡其能；也有互相矛盾的一面，安裝位置 既要盡可能靠近驅動軸線，又要盡量遠離機