光栅尺的防护设计与研究

2015-04-25王亚峰夏田

机床与液压 2015年8期

王亚峰，夏田

(陕西科技大学，陕西西安710021)

机械加工的自动化、对加工精度要求的日趋提高，推动了在线测量技术和精密自动计量技术的发展。与其他位移测量系统相比，光栅测量系统具有量程大、精度高、稳定性好、较强的信息传输功能和性能价格比，它广泛应用于各种加工设备和计量仪中。在高精度的数控机床中，光栅常应用于数控机床的闭环伺服系统中，用作直线位移或角位移的检测，检测机床直线轴的实际位移是否和数控系统发出的指令相符，以提高机床的控制精度和加工精度。

在高精度的数控机床上，光栅已得到了广泛的应用。光栅作为执行机构终端检测元件，其精度直接影响数控机床的加工精度甚至机床的正常使用。因此，在工程实际中，必须做好光栅的防护措施，防止光栅暴露在恶劣的切削环境下，造成光栅的污染或报废，影响光栅的使用寿命。

1 光栅工作要求与环境分析

数控机床大多采用油冷却，在机床切削过程中，冷却油的喷溅会在机床罩壳内形成油气。传统光栅为开放式安装，这些油气、冷却液及铁屑会通过光栅尺身与读数头的滑行间隙进入光栅内部，破坏光栅线条纹分布，造成光栅的污染。光栅被污染后会引起测量误差、直线轴在回参考点中找不到零脉冲、直线轴在运行过程中报警，甚至出现直线轴暴走的现象，严重时会直接导致光栅报废。因此，对处于封闭式机床内部的光栅进行防护，避免光栅暴露在切削液、冷却油的环境中，以延长光栅的使用寿命。

2 设计思路与防护结构

2.1 设计思路

将光栅置于一个封闭的防护装置内，将其与冷却油、铁屑、灰尘隔绝，使其在完全独立的空间工作，保证光栅的检测精度和工作效率。光栅防护装置结构如图1 所示(拆去顶盖)。其工作原理为:直线光栅尺安装于防护装置底座内，拉动连接杆将会通过塞子带动连接块运动，连接块的运动将带动滑块与光栅读数头一起运动，通过导轨的导向，使读数头的运动平稳、准确，实现光栅尺身与读数头的相对运动，完成检测功能。

图1 光栅防护装置结构图

2.2 读数头导向与出线设计

光栅读数头的导向通过直线导轨来实现。拉动连接杆将会通过塞子带动连接块运动，连接块的运动将带动滑块与光栅读数头一起运动，通过导轨的导向，使读数头的运动平稳、准确。同时，光栅读数头的伸出线通过预留在连接杆与限位套上的豁口进入连接杆后伸出防护装置外。连接杆与限位套结构如图2 所示，都采用无缝钢管。限位套一方面可以增强连接杆进线缺口处的刚性，另一方面还能起到光栅尺右端的机械限位作用。光栅尺左端的机械限位由限位螺母来实现。

图2 限位套、连接杆结构

2.3 光栅安装精度保证

底座结构如图3 所示。

图3 底座结构图

底座采用铸件。光栅尺身的两个安装凸台与导轨的安装面加工至平行度0.01 mm，需要满足光栅安装后，读数头上表面与滑块上表面在同一高度上。底座右侧(或左侧)加工一条校正带，此校正带既作为防护装置内安装导轨时的测量基准，也作为防护装置整体安装于机床上时的测量基准，保证安装精度。

3 防护性能测试

3.1 渗漏试验

向防护装置(注:装配时在底座与左端盖、右端盖、顶盖间加δ =1 mm 的纸铂或橡胶垫圈)内倒入冷却油或切削液做渗漏试验。3 个工作日后，经检查倒入防护装置内的油、液没有渗漏出防护装置外。

3.2 安装测试

将防护装置安装在数控机床立柱上。通过设计简单的夹紧块，使防护装置连接杆与机床立柱上的拖板一起运动，从而带动光栅尺运动。以此来测试光栅尺的工作稳定性，并且再次验证防护性能。通过在数控机床上半年多的使用，光栅工作正常，反应时间无滞后，反应数据精确。拆下防护装置，将防护装置整体打开检测内部情况，没有发现有油污、铁屑、灰尘等进入防护装置内部，证实防护装置防护性能好。