數(shù)顯光柵尺機(jī)床定位精度檢測(cè)設(shè)計(jì)

張晗

(吉林航空工程學(xué)校 航空科，吉林 吉林 132102)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為一種機(jī)電設(shè)備越來(lái)越多地被廣泛應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床的高精度最終是要靠機(jī)床本身的精度來(lái)保證，數(shù)控機(jī)床精度包括幾何精度和切削精度。機(jī)床在使用一段時(shí)間后，處在非正常超性能工作狀態(tài)，甚至超出其潛在承受能力。因此新機(jī)床在使用半年后需再次進(jìn)行精度檢測(cè)，之后可每年檢測(cè)一次。定期檢測(cè)機(jī)床誤差并及時(shí)校正螺距、反向間隙等可切實(shí)改善生產(chǎn)使用中的機(jī)床精度，改善零件加工質(zhì)量，提高機(jī)床利用率。因此，數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)對(duì)初始使用的數(shù)控機(jī)床及維修調(diào)整后機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)恢復(fù)是很重要的。精度檢測(cè)內(nèi)容主要包括數(shù)控機(jī)床的幾何精度、定位精度和切削精度。

機(jī)床幾何精度檢驗(yàn)，又稱靜態(tài)精度檢驗(yàn)，是綜合反映機(jī)床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。數(shù)控機(jī)床的幾何精度的檢驗(yàn)工具和檢驗(yàn)方法類似于普通機(jī)床，但檢測(cè)要求更高。常用的檢測(cè)工具有精密水平儀、精密方箱、數(shù)控機(jī)床直角尺、平尺、平行光管、千分表、測(cè)微儀及高精度主軸心棒等。檢測(cè)工具的精度必須比所測(cè)的幾何精度高一個(gè)等級(jí)。

數(shù)控機(jī)床定位精度，是指機(jī)床各坐標(biāo)軸在數(shù)控裝置控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精度。數(shù)控機(jī)床的定位精度又可以理解為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，因此定位精度決定于數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)誤差。機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)是在數(shù)控裝置的控制下完成的，各運(yùn)動(dòng)部件所能達(dá)到的精度直接反映加工零件所能達(dá)到的精度，所以，定位精度是一項(xiàng)很重要的檢測(cè)內(nèi)容。

機(jī)床精度的檢測(cè)工具有各自不同的特點(diǎn)，如塊規(guī)檢測(cè)精度時(shí)比較繁瑣，精度不高；而激光干涉儀檢測(cè)成本較高，本文提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)易的一種精度檢驗(yàn)方法，即利用數(shù)顯光柵尺進(jìn)行機(jī)床定位精度檢測(cè)。數(shù)顯光柵尺通常安裝于普通車(chē)床、普通銑床、普通磨床等機(jī)床上，目的是精確定位以提高加工精度，最大的好處是實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)測(cè)量。利用這個(gè)原理，我們就可以選用高精度的光柵尺作為機(jī)床的精度檢驗(yàn)工具。用于精度檢測(cè)時(shí)可以直接購(gòu)買(mǎi)數(shù)顯光柵尺成品，也可以購(gòu)買(mǎi)光柵尺自行設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示部分。

下面就數(shù)顯光柵尺選型、安裝等內(nèi)容進(jìn)行了探討，可能有不周之處，請(qǐng)讀者不吝賜教。

1 數(shù)顯光柵尺基本原理與選型

1.1 數(shù)顯光柵尺的基本原理

數(shù)顯光柵尺的工作原理，是由一對(duì)光柵副中的主光柵和副光柵進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換使黑白相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90度的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示。

1.2 數(shù)顯光柵尺選型

光柵尺準(zhǔn)確度等級(jí)是首先要考慮,要達(dá)到±0.0005mm以上精度。高準(zhǔn)確度等級(jí)的選擇可提高機(jī)床線性坐標(biāo)軸的測(cè)量的定位精度、重復(fù)定位精度，值得注意的是在選用高精度光柵尺時(shí)要考慮光柵尺的熱性能，即要求光柵尺的刻線載體的熱膨脹系數(shù)與機(jī)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。光柵尺的測(cè)量方式分和絕對(duì)式光柵尺兩種，作為機(jī)床精度檢測(cè)的數(shù)顯光柵尺可以選擇絕對(duì)式光柵尺，在光柵尺通電的同時(shí)后續(xù)電子設(shè)備即可獲得位置信息，不需要移動(dòng)坐標(biāo)軸找參考點(diǎn)位置，絕對(duì)位置值從光柵尺讀數(shù)上直接獲得。

2 數(shù)顯光柵尺的檢測(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

光柵尺的檢測(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與安裝比光柵尺選型更重要，如果處理不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響光柵尺的檢測(cè)精度。

2.1 行走姿勢(shì)中驅(qū)動(dòng)軸線與載重中點(diǎn)位置的重合度要求較高，要求驅(qū)動(dòng)軸線盡量與載重中點(diǎn)位置重合。兩條導(dǎo)軌阻尼特性的一致性也是一項(xiàng)很重要的影響因素，兩條導(dǎo)軌阻尼特性的不一致也很容易造成物體出現(xiàn)擺動(dòng)的現(xiàn)象。

2.2 光柵尺的安裝位置盡可能靠近驅(qū)動(dòng)軸線大多數(shù)機(jī)床的線性坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都是運(yùn)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才會(huì)阿貝誤差最小化的原則，即要求光柵尺安裝位置靠近控制軸的工作基準(zhǔn)面，距離越近則阿貝誤差越小，光柵尺控制的位置精度越高，檢測(cè)出來(lái)的機(jī)床定位精度越好。

2.3 數(shù)顯光柵尺定尺、滑尺的支架要具有足夠剛性和強(qiáng)度

光柵尺安裝位置要有足夠剛性和強(qiáng)度也是保證光柵尺正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光柵尺是通過(guò)光電掃描原理來(lái)工作的，因此光柵尺不能處于強(qiáng)振動(dòng)狀態(tài)，振動(dòng)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(jī)床的堅(jiān)固鑄件為一體，連接剛性足，以防止結(jié)合與連接處產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)引起強(qiáng)振動(dòng)影響光柵尺的正常工作，最終導(dǎo)致加工中心定位精度的降低。

3 數(shù)顯光柵尺安裝方式

一般將主尺與讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的床身上，副尺安裝在工作臺(tái)上隨機(jī)床走刀而動(dòng)。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。

3.1 數(shù)顯光柵尺的安裝基面

安裝時(shí)不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機(jī)床身上，更不能安裝在打底涂漆的機(jī)床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部件上。用千分表檢查機(jī)床工作臺(tái)的主尺安裝面與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的方向平行度。千分表固定在床身上，移動(dòng)工作臺(tái)，要求達(dá)到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。

3.2 主尺與位移傳感器讀數(shù)頭的安裝

將光柵主尺用M4螺釘上在機(jī)床安裝的機(jī)床的安裝面上，但不要上緊，把千分表固定在床身上，移動(dòng)工作臺(tái)，用千分表測(cè)量主尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的平行度，調(diào)整主尺M(jìn)4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時(shí)，把螺釘徹底上緊。在安裝讀數(shù)頭時(shí)，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達(dá)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)。

3.3 限位裝置

數(shù)顯光柵尺全部安裝完以后，一定要在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝限位裝置，用戶在選購(gòu)光柵線位移傳感器時(shí)，應(yīng)盡量選用超出機(jī)床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以免機(jī)床加工產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。

3.4 安裝檢查

安裝完畢后，可接通數(shù)顯表，移動(dòng)工作臺(tái)，觀察數(shù)顯表計(jì)數(shù)是否正常。 在機(jī)床上選取一個(gè)參考位置，來(lái)回移動(dòng)工作點(diǎn)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，使千分表與數(shù)顯表同時(shí)調(diào)至零，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。

4 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整

一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有常用的補(bǔ)償功能，如對(duì)刀點(diǎn)位置偏差補(bǔ)償，刀具半徑補(bǔ)償、刀位半徑補(bǔ)償、機(jī)械反向間隙參數(shù)補(bǔ)償?shù)雀鞣N自動(dòng)補(bǔ)償功能。通過(guò)本方法實(shí)測(cè)機(jī)床定位精度數(shù)數(shù)值，利用機(jī)床控制系統(tǒng)中設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精度誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。其過(guò)程為實(shí)測(cè)各運(yùn)動(dòng)軸的間隙誤差值，然后通過(guò)控制面板鍵入控制單元即可。

[1]何龍著.數(shù)控設(shè)備調(diào)試與維護(hù)[M].重慶：西南交通大學(xué)出版社，2006，（8）.

[2]汪木蘭著.數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，（7）.

[3]孫偉著.數(shù)控設(shè)備故障診斷與維修技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006，(8).