光柵數(shù)顯系統(tǒng)機床大修改造中應(yīng)用

電動鏟運機前后機架、噴漿機減速箱體以及電機車減速箱體等礦用機械主要部件一般都需要在臥式鏜床上加工。我廠的T612鏜床經(jīng)過近三十年的運行已老化嚴重，精度下降，不能滿足高精度機械加工的要求。在對該設(shè)備大修時成功地對其進行了數(shù)顯改造，安裝了光柵數(shù)顯系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光柵移動產(chǎn)生的莫爾條紋與電子電路、單片機相結(jié)合來完成對位移量的自動測量，并以數(shù)字顯示位移量。下面介紹該系統(tǒng)的工作原理及實際應(yīng)用情況。

　　一、光柵尺位移測量工作原理

　　光柵是由光源、透鏡、標尺光柵（主光柵）、指示光柵（副光柵）和光電元件組成。當主光柵和副光柵呈一很小的θ角相對傾斜重疊放置時，造成兩光柵尺上的線紋交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊形成明暗相間的莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。當標尺光柵相對主光柵沿垂直刻線移動時，莫爾條紋跟隨其移動。莫爾條紋的光強度近似呈正（余）弦曲線變化，經(jīng)光電元件所感應(yīng)的光電流變化規(guī)律近似為正（余）弦曲線。經(jīng)放大器放大、整形電路整形，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示。

　　二、光柵數(shù)顯系統(tǒng)的硬件介紹

　　處理采集信號芯片選用AT89S51，它支持ISP在線編程功能，內(nèi)部具有兩個16位的定時器/計數(shù)器。鍵盤和顯示部分采用具有SPI串行接口功能且可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片WH8280。它內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受16進制碼或BCD碼，并同時具有2種譯碼方式，可段尋址。具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。光柵位移測量系統(tǒng)硬件主要有光柵辨向電路、AT89S51單片機、WH8280鍵盤和數(shù)碼管電路組成。位移測量系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　三、光柵尺的安裝注意事項

　　一般將主尺安裝在機床的工作臺上，讀數(shù)頭安裝在相對機床靜止部件上，盡量安裝在主尺的下方。安裝位置的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。

　　1、光柵傳感器的安裝基面

　　光柵尺用在舊機床改造時一般沒有理想的安裝面，需要加工制作合適的基座，材質(zhì)最好是經(jīng)過時效處理的鑄鐵，以保證其變形小，幾何精度穩(wěn)定，該基座要通過銑床、磨床加工。通過等高塊墊平或用定壓螺釘調(diào)整基座對機床導軌面的平行度，要求平行度為.1mm/1000mm以內(nèi)。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。

　　2、光柵傳感器的主尺安裝

　　用調(diào)節(jié)螺釘將光柵主尺上在工作臺安裝面基座上，千分表固定在床身，移動工作臺，測量主尺平面與機床導軌運動方向的平行度，調(diào)整螺釘，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時，把固定螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時，應(yīng)注意光柵主尺超過1.5M以上時，不能只安裝兩端頭，需在主尺尺身中安裝支撐，最好用一個卡子卡住尺身中點（或幾點）。



　　圖1

　　3、光柵傳感器讀數(shù)頭的安裝

　　讀數(shù)頭的安裝方法與主尺相似，讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內(nèi)，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以內(nèi)。

　　4、光柵傳感器的限位裝置

　　光柵傳感器全部安裝完以后，為避免機床加工產(chǎn)品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺，一定要在機床導軌上安裝限位裝置。

　　5、保護裝置的安裝

　　通過以上工作，光柵傳感器的安裝就完成了。但對于一般的機床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應(yīng)附帶加裝護罩，護罩根據(jù)光柵傳感器的外形截面尺寸確定，通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。

　　四、光柵傳感器使用注意事項

　?。?）光柵傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時應(yīng)關(guān)閉電源后進行。

　?。?）及時清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異物進入光柵傳感器殼體內(nèi)部。

　?。?）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動。

　?。?）為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油，注意勿濺落在玻璃光柵刻劃面上。

　?。?）為保證光柵傳感器使用的可靠性，可每隔一定時間用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔。

　?。?）光柵傳感器嚴禁劇烈震動及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂，光柵傳感器即失效了。

　?。?）應(yīng)注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布，引起測量誤差。

　?。?）光柵傳感器應(yīng)盡量避免在有嚴重腐蝕作用的環(huán)境中工作，以免腐蝕光柵鉻層及光柵尺表面，破壞光柵尺質(zhì)量。

　　五、效果及效益估算

　　在沒有裝數(shù)顯前，操作者需經(jīng)常停車反復測量尺寸以控制加工精度，受工人操作熟練程度影響較大。加裝數(shù)顯后可減少測量誤差帶來的影響，精度可以控制在0.01-0.03mm之內(nèi)。以噴漿機減速箱體為例，在加裝數(shù)顯前需3個班（工時1300分鐘）才能完成，現(xiàn)在不到兩個班即可完成，提高效率40%。后來我廠的C5335、C5325立車、X53T銑床也相繼改裝了數(shù)顯系統(tǒng)，經(jīng)濟效益明顯。