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摘 要：线性光栅尺能够直接测量机械位置，因此能够最准确的反应机床的实际位置，通过对线性光栅尺的工作原理、优势、机械结构、性能的分析介绍，并对线性光栅尺在数控机床中的使用与维修进行实例分析与论述，为数控机床直线位移测量系统的装配与维修提供依据。
关键词：光栅尺 数控机床 应用 维修
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-056-02
在数控机床位置检测系统中，检测装置作为核心部件为保证机床加工精度和速度要求扮演重要角色。由于线性光栅尺动态性能良好，运动速度恒定性高，能够直接测量机械位置，因此能够最准确的反应机床的实际位置，是所有采用闭环控制机床和设备上进给轴的最佳选择。
1 线性光栅尺工作原理
光栅尺位置测量系统由光源、透镜、指示光栅、光电元件、信号处理电路以及标尺光栅组成。通常情况下，除标尺光栅外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路装在一个部件内，这个部件称为读数头。线性光栅尺依据相对运动的原理来产生光信号，这些信号经过光电器件的转换处理后，用来检测机械装置的位移，如图1所示。输出信号是由光源通过刻在直线尺或盘片的栅格线后，再经光电转换装置的处理产生的。读数装置由光源、刻线玻璃与栅格窗、以及光电二极管接收装置组成。红外线光束被光电二极管接收前，先通过有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗间的相对运动回产生正弦波形式的光波，这种光波经光电二极管接收后，会转换成最初始的电流正弦波信号，这些电信号的周期与栅距是一样的。
2 线性光栅尺的优势分析
线性光栅尺在测量直线轴位置的时候无需其他任何附加机械传动部件，控制环囊括全部进给机构，安装在滑板上的线性光栅尺可以检测出机械传递误差并能在控制系统电路中给予修正。因此，线性光栅尺能够消除以下误差：（1）滚珠丝杠温度特性导致的位置误差；（2）滚珠丝杠的反向间隙误差；（3）滚珠丝杠螺距误差引起的运动特性误差。因此，线性光栅尺是高精度定位和高速加工必备测量装置。
3 机械结构与性能
3.1 机械结构
数控机床所用的线性光栅尺均采用封闭式结构（如图2所示）：铝制金属外壳能够保护光栅尺、扫描单元以及轨道免受灰尘、切屑和切削液的污染；自动向下压下的弹性密封条保持外壳的密封；扫描单元的运动轨道摩擦力很小，轨道内置在光栅尺上；连接器将扫描单元和安装板连接在一起并补偿光栅尺和机床导轨的不对正误差；光栅尺和安装板间的横向和轴向误差允许为€？.2至€？.3mm，具体数值与光栅尺型号有关。
3.2 温度特性
切削速度的提高和全封闭机床的广泛应用使机床防护罩内的温度不断提高。由于线性光栅尺的温度特性直接决定着机床加工精度，因此，线性光栅尺的温度特性指标越来越重要。一般线性光栅尺的温度特性应与工件或所测对象一致。当温度发生变化的时候，线性光栅尺的膨胀或收缩特性必须是确定的和可重现的。线性光栅尺所用的光栅基体具有确定的热膨胀系数，用户可以选择最适合其应用所需温度特性的线性光栅尺。
3.3 动态性能
机床效率和机床性能的不断提高必然要求更大的进给速度和更高的加速度，同时还必须保持高水平的加工精度。要快速和准确地传递进给运动，就要求机床和线性光栅尺具有更高的刚性。 HEIDENHAIN公司的线性光栅尺在测量方向上有很高的刚性。这是机床达到高质量和高精度运动轨迹的重要因素。此外，光栅尺优良的动态性能还来源于它重量轻的运动部件。
3.4 耐用性
机床进给轴的运动行程非常长，三年的运动行程通常要达到10，000 km。因此，光栅尺的长期稳定和坚固可靠格外重要：它是保证机床稳定可用的基础。由于线性光栅尺在设计中充分考虑了各个细节，即使光栅尺工作多年后依然能正常使用。使用寿命长是因为采用非接触的光电扫描法扫描测量基准，而且光栅尺外壳中的扫描光栅采用滚珠导轨结构。这种密封结构，加上特殊的扫描原理和通过压缩空气建立正压环境的支持使线性光栅尺具有超强的抗污能力。完善的防护装置确保优异的抗电气噪声的能力。
4 应用与维修
对于机床控制而言，线性光栅尺能够消除滚珠丝杠的反向间隙、消除丝杆、导轨由于温度变化所带来的位置误差、消除滚珠丝杠的螺距误差所带来的位置误差。线性光栅尺常常应用于以下场合：高精密机床（提高加工精度，提升产品的品质）；大型机床（大型龙门、卧加、镗铣床等使用光栅尺能够减小由于过长的传动链带来的传动误差，同时减小温度变化带来的形变误差）；采用直驱技术的新型电机（直线电机等）。
维修案例1：
某机械厂有的TH6940数控加工中心采用SIEMENS 840D系统，在使用过程中产生了25000异常报警，是Y轴光栅尺的硬件故障，通过修改30200和30240参数屏蔽光栅尺后异常报警消失，故障源除了光栅尺外还有电缆和测量板，因为Y轴光栅尺拆卸有一定难度，就首先从较容易拆卸的测量板入手，Y轴测量板与其它轴型号相同所以可以调换检验，调换后发现机床正常，故故障为Y轴测量控制板与功率模块之间的连接插针接触不良所导致。
维修案例2：
某公司的数控加工中心纵向工作台的线性光栅尺（SIEMENS）在测量数据过程中丢数（即工作台移动全程记录的数据变小，而返回到终点数据也不能减计数到零）。首先确定是读数头部分还是信息处理电路的故障。由于只是纵向工作台的移动测量数据出错，而其它方向的测量数据均无异常。把纵向读数头的信号送到其它方向的信息处理电路，测量的数据仍然是错误的，故判断故障在读数头。经细致检查，怀疑故障可能是光敏元件不良，换上新的光敏元件，故障消除。
5 结论
应用线性光栅尺于数控机床位置检测系统中，能够最准确的测量机床运动部件的实际位置，提高数控机床加工性能。深入研究线性光栅尺的工作原理、性能、机械结构与应用，可以为线性光栅尺在数控机床上的应用与故障维修提供知识保障。
关键词：光栅尺 数控机床 应用 维修
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-056-02
在数控机床位置检测系统中，检测装置作为核心部件为保证机床加工精度和速度要求扮演重要角色。由于线性光栅尺动态性能良好，运动速度恒定性高，能够直接测量机械位置，因此能够最准确的反应机床的实际位置，是所有采用闭环控制机床和设备上进给轴的最佳选择。
1 线性光栅尺工作原理
光栅尺位置测量系统由光源、透镜、指示光栅、光电元件、信号处理电路以及标尺光栅组成。通常情况下，除标尺光栅外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路装在一个部件内，这个部件称为读数头。线性光栅尺依据相对运动的原理来产生光信号，这些信号经过光电器件的转换处理后，用来检测机械装置的位移，如图1所示。输出信号是由光源通过刻在直线尺或盘片的栅格线后，再经光电转换装置的处理产生的。读数装置由光源、刻线玻璃与栅格窗、以及光电二极管接收装置组成。红外线光束被光电二极管接收前，先通过有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗间的相对运动回产生正弦波形式的光波，这种光波经光电二极管接收后，会转换成最初始的电流正弦波信号，这些电信号的周期与栅距是一样的。
2 线性光栅尺的优势分析
线性光栅尺在测量直线轴位置的时候无需其他任何附加机械传动部件，控制环囊括全部进给机构，安装在滑板上的线性光栅尺可以检测出机械传递误差并能在控制系统电路中给予修正。因此，线性光栅尺能够消除以下误差：（1）滚珠丝杠温度特性导致的位置误差；（2）滚珠丝杠的反向间隙误差；（3）滚珠丝杠螺距误差引起的运动特性误差。因此，线性光栅尺是高精度定位和高速加工必备测量装置。
3 机械结构与性能
3.1 机械结构
数控机床所用的线性光栅尺均采用封闭式结构（如图2所示）：铝制金属外壳能够保护光栅尺、扫描单元以及轨道免受灰尘、切屑和切削液的污染；自动向下压下的弹性密封条保持外壳的密封；扫描单元的运动轨道摩擦力很小，轨道内置在光栅尺上；连接器将扫描单元和安装板连接在一起并补偿光栅尺和机床导轨的不对正误差；光栅尺和安装板间的横向和轴向误差允许为€？.2至€？.3mm，具体数值与光栅尺型号有关。
3.2 温度特性
切削速度的提高和全封闭机床的广泛应用使机床防护罩内的温度不断提高。由于线性光栅尺的温度特性直接决定着机床加工精度，因此，线性光栅尺的温度特性指标越来越重要。一般线性光栅尺的温度特性应与工件或所测对象一致。当温度发生变化的时候，线性光栅尺的膨胀或收缩特性必须是确定的和可重现的。线性光栅尺所用的光栅基体具有确定的热膨胀系数，用户可以选择最适合其应用所需温度特性的线性光栅尺。
3.3 动态性能
机床效率和机床性能的不断提高必然要求更大的进给速度和更高的加速度，同时还必须保持高水平的加工精度。要快速和准确地传递进给运动，就要求机床和线性光栅尺具有更高的刚性。 HEIDENHAIN公司的线性光栅尺在测量方向上有很高的刚性。这是机床达到高质量和高精度运动轨迹的重要因素。此外，光栅尺优良的动态性能还来源于它重量轻的运动部件。
3.4 耐用性
机床进给轴的运动行程非常长，三年的运动行程通常要达到10，000 km。因此，光栅尺的长期稳定和坚固可靠格外重要：它是保证机床稳定可用的基础。由于线性光栅尺在设计中充分考虑了各个细节，即使光栅尺工作多年后依然能正常使用。使用寿命长是因为采用非接触的光电扫描法扫描测量基准，而且光栅尺外壳中的扫描光栅采用滚珠导轨结构。这种密封结构，加上特殊的扫描原理和通过压缩空气建立正压环境的支持使线性光栅尺具有超强的抗污能力。完善的防护装置确保优异的抗电气噪声的能力。
4 应用与维修
对于机床控制而言，线性光栅尺能够消除滚珠丝杠的反向间隙、消除丝杆、导轨由于温度变化所带来的位置误差、消除滚珠丝杠的螺距误差所带来的位置误差。线性光栅尺常常应用于以下场合：高精密机床（提高加工精度，提升产品的品质）；大型机床（大型龙门、卧加、镗铣床等使用光栅尺能够减小由于过长的传动链带来的传动误差，同时减小温度变化带来的形变误差）；采用直驱技术的新型电机（直线电机等）。
维修案例1：
某机械厂有的TH6940数控加工中心采用SIEMENS 840D系统，在使用过程中产生了25000异常报警，是Y轴光栅尺的硬件故障，通过修改30200和30240参数屏蔽光栅尺后异常报警消失，故障源除了光栅尺外还有电缆和测量板，因为Y轴光栅尺拆卸有一定难度，就首先从较容易拆卸的测量板入手，Y轴测量板与其它轴型号相同所以可以调换检验，调换后发现机床正常，故故障为Y轴测量控制板与功率模块之间的连接插针接触不良所导致。
维修案例2：
某公司的数控加工中心纵向工作台的线性光栅尺（SIEMENS）在测量数据过程中丢数（即工作台移动全程记录的数据变小，而返回到终点数据也不能减计数到零）。首先确定是读数头部分还是信息处理电路的故障。由于只是纵向工作台的移动测量数据出错，而其它方向的测量数据均无异常。把纵向读数头的信号送到其它方向的信息处理电路，测量的数据仍然是错误的，故判断故障在读数头。经细致检查，怀疑故障可能是光敏元件不良，换上新的光敏元件，故障消除。
5 结论
应用线性光栅尺于数控机床位置检测系统中，能够最准确的测量机床运动部件的实际位置，提高数控机床加工性能。深入研究线性光栅尺的工作原理、性能、机械结构与应用，可以为线性光栅尺在数控机床上的应用与故障维修提供知识保障。