数显光栅尺机床定位精度检测设计

摘要：数控机床作为一种机电设备，定期检测其误差并及时校正螺距、反向间隙等可切实改善生产使用中的机床精度，改善零件加工质量，提高机床利用率。本文提供了一种相对简易的一种精度检验方法，即利用数显光栅尺进行机床定位精度检测。

关键词：光栅尺；定位精度；误差补偿

中图分类号：TG659 文献标识码：A

随着现代制造业的迅速发展，数控机床作为一种机电设备越来越多地被广泛应用。数控机床的高精度最终是要靠机床本身的精度来保证，数控机床精度包括几何精度和切削精度。机床在使用一段时间后，处在非正常超性能工作状态，甚至超出其潜在承受能力。因此新机床在使用半年后需再次进行精度检测，之后可每年检测一次。定期检测机床误差并及时校正螺距、反向间隙等可切实改善生产使用中的机床精度，改善零件加工质量，提高机床利用率。因此，数控机床精度检验对初始使用的数控机床及维修调整后机床的技术指标恢复是很重要的。精度检测内容主要包括数控机床的几何精度、定位精度和切削精度。

机床几何精度检验，又称静态精度检验，是综合反映机床关键零部件经组装后的综合几何形状误差。数控机床的几何精度的检验工具和检验方法类似于普通机床，但检测要求更高。常用的检测工具有精密水平仪、精密方箱、数控机床直角尺、平尺、平行光管、千分表、测微仪及高精度主轴心棒等。检测工具的精度必须比所测的几何精度高一个等级。

数控机床定位精度，是指机床各坐标轴在数控装置控制下运动所能达到的位置精度。数控机床的定位精度又可以理解为机床的运动精度，因此定位精度决定于数控系统和机械传动误差。机床各运动部件的运动是在数控装置的控制下完成的，各运动部件所能达到的精度直接反映加工零件所能达到的精度，所以，定位精度是一项很重要的检测内容。

机床精度的检测工具有各自不同的特点，如块规检测精度时比较繁琐，精度不高；而激光干涉仪检测成本较高，本文提供了一种相对简易的一种精度检验方法，即利用数显光栅尺进行机床定位精度检测。数显光栅尺通常安装于普通车床、普通铣床、普通磨床等机床上，目的是精确定位以提高加工精度，最大的好处是实现了随机测量。利用这个原理，我们就可以选用高精度的光栅尺作为机床的精度检验工具。用于精度检测时可以直接购买数显光栅尺成品，也可以购买光栅尺自行设计数码显示部分。

下面就数显光栅尺选型、安装等内容进行了探讨，可能有不周之处，请读者不吝赐教。

１ 数显光栅尺基本原理与选型

１.1 数显光栅尺的基本原理

数显光栅尺的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅和副光栅进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90度的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。

1.2 数显光栅尺选型

光栅尺准确度等级是首先要考虑,要达到±0.0005mm以上精度。高准确度等级的选择可提高机床线性坐标轴的测量的定位精度、重复定位精度，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致，以克服由于温度引起的热变形。光栅尺的测量方式分和绝对式光栅尺两种，作为机床精度检测的数显光栅尺可以选择绝对式光栅尺，在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息，不需要移动坐标轴找参考点位置，绝对位置值从光栅尺读数上直接获得。

2 数显光栅尺的检测结构的设计

光栅尺的检测结构的设计与安装比光栅尺选型更重要，如果处理不当，会严重影响光栅尺的检测精度。

2.1 行走姿势中驱动轴线与载重中点位置的重合度要求较高，要求驱动轴线尽量与载重中点位置重合。两条导轨阻尼特性的一致性也是一项很重要的影响因素，两条导轨阻尼特性的不一致也很容易造成物体出现摆动的现象。

2.2 光栅尺的安装位置尽可能靠近驱动轴线大多数机床的线性坐标轴驱动系统一般都是运用精密滚珠丝杠副，理论上要求光栅尺尽量安装在靠近丝杠副轴线的位置上，这样的话光栅尺的安装符合才会阿贝误差最小化的原则，即要求光栅尺安装位置靠近控制轴的工作基准面，距离越近则阿贝误差越小，光栅尺控制的位置精度越高，检测出来的机床定位精度越好。

2.3 数显光栅尺定尺、滑尺的支架要具有足够刚性和强度

光栅尺安装位置要有足够刚性和强度也是保证光栅尺正常工作的关键环节。光栅尺是通过光电扫描原理来工作的，因此光栅尺不能处于强振动状态，振动引起光源不稳定影响光栅尺的控制精度。所以安装位置最好与机床的坚固铸件为一体，连接刚性足，以防止结合与连接处产生薄弱环节引起强振动影响光栅尺的正常工作，最终导致加工中心定位精度的降低。

3 数显光栅尺安装方式

一般将主尺与读数头安装在机床的床身上，副尺安装在工作台上随机床走刀而动。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。

3.1 数显光栅尺的安装基面

安装时不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。

3.2 主尺与位移传感器读数头的安装

将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的机床的安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台，用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把螺钉彻底上紧。在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1～1.5mm以内。

3.3 限位装置

数显光栅尺全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。

3.4 安装检查

安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。 在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零）。另外也可使用千分表，使千分表与数显表同时调至零，往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。

4 数控系统参数的调整

一般的数控系统都具有常用的补偿功能，如对刀点位置偏差补偿，刀具半径补偿、刀位半径补偿、机械反向间隙参数补偿等各种自动补偿功能。通过本方法实测机床定位精度数数值，利用机床控制系统中设置的系统参数来实现精度误差的自动补偿。其过程为实测各运动轴的间隙误差值，然后通过控制面板键入控制单元即可。

参考文献

[1]何龙著.数控设备调试与维护[M].重庆：西南交通大学出版社，2006，（8）.

[2]汪木兰著.数控原理与系统[M].北京：机械工业出版社，2004，（7）.

[3]孙伟著.数控设备故障诊断与维修技术[M].北京：国防工业出版社，2006，(8).