絕對(duì)式光柵尺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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0引言

隨著我國(guó)加工制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來(lái)越廣，對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度與重復(fù)定位精度的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)也越來(lái)越難滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求?；诎腴]環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床具有明顯的缺點(diǎn):無(wú)法控制機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生熱變形誤差，以及加工過(guò)程中因傳動(dòng)系統(tǒng)磨損而產(chǎn)生的誤差，而這些誤差已經(jīng)嚴(yán)重影響到數(shù)控機(jī)床的加工精度及其穩(wěn)定性。直線光柵尺對(duì)數(shù)控機(jī)床各線性坐標(biāo)軸進(jìn)行全閉環(huán)控制，消除上述誤差，提高機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度以及精度可靠性，作為提高數(shù)控機(jī)床位置精度的關(guān)鍵部件正日益受到用戶(hù)的青睞[1]。直線光柵尺分為增量式光柵尺與絕對(duì)式光柵尺，安裝絕對(duì)式光柵尺的數(shù)控機(jī)床在機(jī)床重新開(kāi)機(jī)后無(wú)需執(zhí)行參考點(diǎn)回零操作，就立刻重新獲得各個(gè)軸的當(dāng)前絕對(duì)位置值，可以馬上從中斷處開(kāi)始繼續(xù)原來(lái)的加工程序，大大地提高數(shù)控機(jī)床的有效加工時(shí)間。在全閉環(huán)的高檔數(shù)控系統(tǒng)中已經(jīng)普遍使用絕對(duì)式光柵尺和絕對(duì)式光柵編碼器，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家采用絕對(duì)式光柵位移傳感器的占數(shù)控機(jī)床的80%，目前國(guó)內(nèi)的全閉環(huán)高檔數(shù)控機(jī)床中采用絕對(duì)式光柵傳感器的也接近30%[2]。國(guó)際上生產(chǎn)絕對(duì)式光柵尺的廠家有德國(guó)的HEIDEN-HAIN（海德漢）、西班牙的FAGOR（發(fā)格）、日本的MITU-TOYO（三豐）、英國(guó)的RENISHAW（雷尼紹）。相比之下，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有絕對(duì)式光柵尺的產(chǎn)品，但是已經(jīng)有部分研究所、高校以及企業(yè)先后開(kāi)展了絕對(duì)式光柵尺的研制工作，其中中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的研究工作最為突出，其研制出的JC09型絕對(duì)式光柵尺樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了與華中數(shù)控HNC-818B世紀(jì)星加工中心數(shù)控裝置對(duì)接，并應(yīng)用在長(zhǎng)二機(jī)床廠的XH714立式加工中心上[3]。本文將對(duì)絕對(duì)式光柵尺的工作原理以及絕對(duì)式光柵尺的機(jī)械結(jié)構(gòu)做相關(guān)的研究。

1絕對(duì)式光柵尺的工作原理

絕對(duì)式光柵尺的工作原理如圖1所示，LED光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡后形成平行光，經(jīng)主光柵與指示光柵后照射到ASIC光電器件上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并通過(guò)信號(hào)處理器計(jì)算出位置值，最后通過(guò)通訊接口將位置值輸出到后續(xù)設(shè)備上。其中主光柵由兩條碼道組成，一條碼道為絕對(duì)碼道，即下方不規(guī)則的碼道，通過(guò)該碼道可以實(shí)時(shí)讀取絕對(duì)式光柵尺的絕對(duì)位置；另外一條碼道為增量碼道，即上方周期為20μm的規(guī)則碼道，通過(guò)該碼道可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高細(xì)分，提高光柵尺的分辨力。圖2為主光柵的實(shí)物圖，上方為增量碼道，下方為絕對(duì)碼道。指示光柵由兩部分組成，一部分為增量窗口，由增量碼道組成；一部分為透明窗口。ASIC器件也分為兩部分，上面接收增量信號(hào)，下方接收絕對(duì)信號(hào)。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為絕對(duì)式光柵尺原理樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖，為絕對(duì)式光柵尺原理樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，從圖中我們可以看到，光柵尺主要由尺殼、主光柵、密封條和讀數(shù)頭這幾部分組成，其中讀數(shù)頭包括照明機(jī)構(gòu)、指示光柵滑架、指示光柵、滑架體與滑架體蓋，讀數(shù)頭實(shí)物圖如圖5所示。絕對(duì)式光柵尺整體采用封閉式結(jié)構(gòu)，鋁制尺殼保護(hù)主光柵、讀數(shù)頭免受灰塵、切屑和切削液的影響，密封條保持尺殼的密封，同時(shí)在滑架體與滑架體蓋間也要加入密封橡膠，防止切削液的滲入。尺殼在制作時(shí)采用的是拉制型材的方法，除了滿(mǎn)足讀數(shù)頭和主光柵的安裝空間外，盡量做到外形足夠小，型材拉制出來(lái)后變形較小，可以滿(mǎn)足使用需求。主光柵粘接在尺殼上，指示光柵粘接在指示光柵滑架上，ASIC光電器件粘接在指示光柵上，后續(xù)處理電路固定在滑架體與滑架體蓋中。指示光柵滑架與主光柵間采用五軸承滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)五個(gè)軸承在主光柵上的滾動(dòng)，保持其長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，為了保證讀數(shù)頭在運(yùn)行過(guò)程中指示光柵滑架與主光柵不發(fā)生離位，在這里采用六彈簧的定位機(jī)構(gòu)，分別為兩個(gè)拉伸彈簧、兩個(gè)壓縮彈簧、兩個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，壓縮彈簧的作用是通過(guò)施加壓力將指示光柵滑架下方的三個(gè)軸承壓緊在主光柵上，扭轉(zhuǎn)彈簧的作用是將側(cè)方的兩個(gè)軸承壓緊在主光柵上，拉伸彈簧保證指示光柵滑架在縱向上的受力，六個(gè)彈簧使得光柵尺的讀數(shù)頭具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。在機(jī)床上使用光柵尺時(shí)，光柵尺的安裝分為兩種，一種是將尺殼固定在機(jī)床的靜止部件上，將讀數(shù)頭固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上；另外一種是將尺殼固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上，將讀數(shù)頭固定在機(jī)床的靜止部件上，一般選擇第二種安裝方式，因?yàn)樽x數(shù)頭上連接有電纜線，當(dāng)讀數(shù)頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，電纜線也要隨之運(yùn)動(dòng)，對(duì)排線會(huì)有一定的要求，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)機(jī)床實(shí)際使用環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式。當(dāng)尺殼與讀數(shù)頭發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，尺殼中的主光柵與讀數(shù)頭上的指示光柵也發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行位置測(cè)量。

3結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)加工制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，絕對(duì)式光柵尺的需求量會(huì)越來(lái)越大，每個(gè)高檔數(shù)控機(jī)床都需配備三個(gè)軸的絕對(duì)式光柵尺，不容小覷。擺脫國(guó)外產(chǎn)品壟斷，加快自主研發(fā)是當(dāng)前的首要任務(wù)，目前中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研發(fā)的絕對(duì)式光柵尺已小批量應(yīng)用到國(guó)內(nèi)的一些數(shù)控機(jī)床廠家，正逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，同時(shí)，我們也自主研發(fā)了絕對(duì)式光柵尺母尺刻劃曝光系統(tǒng)[4]及絕對(duì)式光柵尺母光柵刻劃裝置[5]。希望在不久的將來(lái)，我們國(guó)家生產(chǎn)的高檔數(shù)控機(jī)床上都能配備有我們自己的絕對(duì)式光柵尺。

作者：楊帆 單位:中國(guó)科學(xué)院