关于数控机床测量系统的故障分析

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1 栅式测量系统的介绍
　　从上个世纪50 年代到70 年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5 种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4 种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。
　　2 当今采用的光电扫描原理及其产品系列
　　光栅根据形成莫尔条纹的原理不同分为几何光栅(幅值光栅)和衍射光栅(相位光栅)，又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。大多数海德汉光栅尺是按照光电扫描原理工作的。光电扫描为无接触的，从而没有磨损。它能扫描数微米宽的最精细的刻线，并能产生很小信号周期的输出信号。现将海德汉封闭式光栅尺所采用的2 种测量原理介绍如下。
　　2.1 成像测量原理
　　简单地说，成像测量原理采用投射光产生信号：两个具有相同刻线周期的光栅：刻线盘和扫描掩膜相对运动。扫描掩膜的载体材料是透光的，标尺载体的光栅同样也是透光的或反射的。
　　如果平行光束通过一个光栅，则在一定的距离内投影成明/暗区。由于有相同刻线周期的相对光栅，当两个光栅相对运动时，则通过的光线被调制：如果空隙重叠，则光线通过；如果刻线位于空隙上，则是阴影。光电元件将这些光强变换成正弦形的电信号。扫描掩膜上特殊形式的光栅将光电流进行滤波，使其产生近似正弦形的输出信号。光栅尺的光电扫描是非接触的，因此无摩擦。这种光电扫描方法能检测到非常细的线条，而且能生成信号周期很小的输出信号。
　　2.2 干涉测量原理
　　干涉测量原理的光栅尺是利用精细刻线光栅的光的衍射和干涉产生信号，由此测量移动量。利用凹凸形光栅条纹作为测量基准，即在反射表面上制成0.2μm 高的反射刻线。在标尺光栅的前面放置一个与标尺光栅刻线周期相同的透射相位光栅作为扫描掩膜。
　　当光波照射到扫描掩膜上，通过衍射分成三束光强近似的光波、级次为1, 0 和-1。它们在标尺上的相位光栅被衍射，使光强度的大部分反射在1 和-1 衍射级光束上。这些光波在扫描掩膜上的光栅上再次相遇，重新衍射和干涉。此时主要生成三个序列的光波，它们以不同的角度离开扫描掩膜。光电元件将这些光强度转变成电信号。
　　3 光栅尺常见的故障的处理
　　根据光栅尺的工作原理来分析，可能的故障可分为以下几点；光栅故障，读数头故障，连接电缆故障，接收装置故障等。在机床中一旦光栅尺出现故障将直接影响机床的加工精度甚至出现硬件报警使得机床不能运行。遇到这样的故障应当怎么处理呢？
　　3.1 光栅故障
　　光栅故障主要是由光栅脏或者损坏造成的。海德汉的精密光栅的光刻制造工艺有多种。光栅的刻制方法有:在玻璃或镀金钢鼓上镀硬铬，在镀金钢带上蚀刻线条或者在玻璃或钢材上蚀刻三维结构的图案。光栅由千长时间的使用光栅的表面被灰尘或者油污污染，影响读数的精度，造s}读数不准确。通常在这种情况下我们会发现机床在某个部位运行时光栅尺不读数或者报警现象。遇到这种情况应该对光栅尺进行检查。在检查的过程中要注意不要造成光栅的损坏，尤其是不要用硬物直接接触光栅表面。如发现光栅表面有尘埃或者油污可以选择脱脂棉或者质软的棉布料进行清洁，在清洁过程中切不可用力过大造成人为的光栅损坏。一旦发现光栅部分有硬性的划痕则对尺的伤害是不可回复的，此尺基本上已经不能使用。
　　在实际应用中为了防止光栅尺被污染，我们应经常的检查尺的密封条确保光栅尺在工作的时候密封条的完好。密封条的主要作用是保护光栅尺不被外界的粉尘和蒸汽污染。另外，加装空气压缩单元对保护光栅也有很大的好处。加装压缩空气单元，并保证尺的内腔压力大于外部压力，使得空气总是从尺的内腔流向外面，可以弥补密封唇密封效果不好对尺的影响，对保持光栅的清洁有很大的好处，尤其是在那些工作环境粉尘、冷却液、油雾比较大的地方。目前常用的海德汉和发格都为光栅尺配备了相应的空气压缩单元，合理的使用空气压缩单元可以大大的增加尺的使用寿命。
　　3.2 读数头故障
　　读数头故障主要是由读数头损坏或者感光电路工作不正常造成的。读数头是非常精密的电气元件，安装不恰当或者冲击振动都可能造成读数头的损坏。一旦出现硬件（如：支撑架、透镜、发光和感光元件）损坏则需要更换新读数头。
　　此外，还应该注意的是读数头上的透镜和感光元件同样很容易受到尘埃和油污影响的。所以如在维修的过程中发现光栅尺被污染在清洁光栅尺的同时也要注意对读数头进行清洁。在清洁的过程中应当使用专门的清洗剂，避免对电路或者其他元件造成的损害。同时也需要十分的小心不要造成人为的损坏。
　　3.3 连接电缆故障
　　无论光栅尺用于数控系统还是数显装置，都需要大量的电缆进行信号的传递。通常我们都会选择防护等级较高的信号电缆，如西门子提供的预安装电缆等。对于这些电缆及连接件如果出现问题对系统也会造成一定的影响。如电缆断线，连接件接触不好或者接头开焊等。如果判断是反馈线路的问题可以校对反馈电缆，看是否有断线、混线或者接地现象。如果发现反馈电缆有明显的褶皱或者损坏，可以考虑更换电缆，如电缆无明显损坏迹象则重点检查各个连接件是否连接紧固，最后检查连接插头是否有开焊的情况发生，如果有应该恢复线路。
　　3.4 接收装置故障
　　光栅尺发出的信号是要通过专门的模块处理才能被数控系统识别，如果这些用来接收信号的模块自身出现问题也会造成故障的产生。如数控机床中的控制模块等。在检查完以上部分以后如故障依然存在可以尝试更换数显表或者控制模块来排除故障。通常这些部分都是模块化的直接更换起来很方便，在实际操作中也可以用来直接判断故障。除以上介绍的四点意外还应该注意的是尺的安装问题环境温度等对尺的影响。
　　4 旋转编码器的故障
　　旋转编码器与光栅尺的工作原理基本上相同，只是他将直线光栅改变为圆光栅并且和测量电路集成到了一起。www.vtoall.com使得他的体积更小安装更便利。由于两者的原理是相同的所以在故障产生的原因和处理方法上也大致相同，值得注意的是由于旋转编码器的集成化，所以圆形光栅一旦被污染则不能像直线光栅那样去清洁。有一些可拆卸的编码器可以考虑用专用清洗机喷拭里面的圆光栅，而对于全封闭的编码器基本上只能更换。
　　5 结语
　　光栅尺和编码器已经被广泛的应用与现代自动化控制的领域中。用来解决轴的线位移、转速或转角的监测和控制问题。更多的了解关于光栅尺编码器的工作原理对于处理工作中遇到的问题有着十分重要的意义。在工作中掌握正确的维修技能，即可以节省故障的修复时间，有利于生产正常进行。又可以节约修理费用，减少不必要的备件处被。还可以锻炼公司的年轻维修人员，让他们开阔视野，增长见识，提高维修数控机床的技能，增强综合修理能力。