摘要：以德国 HEIDENHAIN ／k司生产的光栅测量装置为引线，研究其基本结构和工作原理，着重分析进口数控机床光栅测量装置的故障现象及其解决措施。
一、引言
进口数控机床光栅测量装置普遍采用德国HEI－DENHAIN公司制造的光栅测量装置，它包括圆光栅测量装置和长光栅测量装置两大类，本文以长光栅测量装置为例，分析其故障现象及解决措施。
二、光栅测量装置测且原理及其基本结构
1．光栅测量装置的基本结构
德国HEIDENHAIN公司生产的长光栅测量装置基本结构主要包括三大部分：光栅尺（定尺）、扫描头（滑动头入EXE＊＊＊（＊＊＊表示型号代码）。
光栅尺：一般固定在数控机床的导轨旁边或床身上，光栅尺里的主光栅一般每隔5cm、5cm、10cm都有一个零标记，定尺上面安装了两个密封塑料条，以防止扫描头滑动时脏污物进人。
扫描头：一般固定在工作台或活动部件上，跟随一起移动。其组成包括指示光栅、光源、透镜、光电元件。放大电路，其中光源一般选用灯丝灯泡或发光二极管，光电元件选用硅光电池，一般为三组，六个硅光电池。
EXE＊＊＊：主要是把扫描头输出的信号通过放大、脉冲整形、倍频等处理，输出脉冲序列信号。
2．光栅测量装置测量原理
光栅尺与扫描头之间的相对运动，也就是把数控机床的位置变化，通过光栅测量装置内的两组光电池变成相位差900的电信号，其中每组由两个相差1800的光电池接成推挽形式。另外一组光电池也接成推挽形式直接感测零标志信号，它们输出的电信号分别为人；人人。
扫描头（滑动头）输出的信号经 EXE＊＊＊处理后变成脉冲方波Ual、UaZ、Uao，另外还有一个由自身产生的报警信号Us，此信号在光栅污染、输人电缆线断或灯泡损坏等原因造成通道放大器输出信号为零，驱动电路由低电平变成高电平输出时产生。最后这7个信号输到测量板或位置控制板进行处理，其中Ual、UaZ相位差900。
三、光栅测诅装置故障分析及排除
1．德国进口数控车床厂轴检测信号丢失
从德国RAVENSBURG公司引进的数控车床，是目前我国比较大的数控机床，其厂轴采用的是德国HEIDENHAIN公司生产的LB326型光栅尺，方式为反射式，该数控机床曾出现Z轴测量装置报警。该报警与二轴机械及传动系数无关，属测量装置故障。该测量装置包括：LB326光栅尺、LB326读头。EXE808外置式电子脉冲整形插值器、信号传输电缆及插件、数控测量板。
由LB326光栅尺的工作原理可知，只要电子元件不损坏，故障的机率很小，因此一般测量装置产生报警，主要原因是信号丢失，也就是“漏读”。测量信号在产生变换过程中容易造成丢失的环节。
机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号，其中两组增量信号由四个光电池产生，把两个相差1800的光电池接在一起，它们推挽就形成了两组近似正弦波，相位差的信号串。另外一组基准信号也由两个相差1800的光电池接成推挽式，输出一个尖峰信号，此信号只在经过标志时产生，用来确认机床基准点。
两组正弦波增量信号经过传输电缆和插头进入EXE经放大整形后成为1．2－3．4V的三角波信号串，以及它们的反向位信号，这些信号经分频后在一个信号周期内产生25个脉冲，即所谓25倍频处理。增量信号经EXE25倍频细分后，经输出板处理成为矩形信号串，送人数控系统测量板。
LB326光栅尺栅距，增量信号经EXE处理后，每一刻线，这就是该机床分辨率。EXE的输出信号除上述外，还有一个UaS由自身产生的报警信号。如果由于某种原因引起信号幅度下降，在信号处理过程中就要影响到被处理信号过零位置，容易使输出脉冲挤在一起，造成丢失。
在了解信号丢失原因后，采用双路示波器分别监视两路正弦波信号，发现输出波形幅值很小，将一路转换到自身报警信号上后，发现输出为高电平脉冲。分析造成光栅输出信号幅度下降的原因，是因为光电池产生信号与光照强度成正比。信号幅度下降是电池光源强度下降及光学系统脏污造成。
拆开光栅尺两端从尺身中抽出扫描单元，发现在指示光栅和透镜上有一层油雾和浮灰，用酒精和乙醚混合液擦除后，重新装回，机床恢复正常工作。
2．德国进口机回零操作时Failt ReferencePart报警
位置检测是采用德国HEIDENHAIN公司生产的光栅尺，尺长900mm，方式为透射式。通过屏幕自诊断显示LeftRoll回零故障，用交换法不难确定为Let Roll光栅尺故障，取下光栅尺，加上＋SV电源，用示波器检查各路信号是否正常，着重检查基准标志脉冲信号。这种故障现象是数控系统没有接收到零脉冲信号，也就是零脉冲信号丢失或信号太弱。
手动滑动扫描头，用示波器测量EXE输出端Ual、UaZ及其取反信号均正常，Uao及其取反信号没有，检查扫描头输出端 I．信号（EXE的输人端 I＆信号），慢速移动扫描头时，无I．信号，快速移动扫描头时，有密集的信号产生，这与零标志信号不相符，估计是感应信号人线路有断路现象。拆开光栅尺两端端盖，滑出扫描头检查发现马接线端虚焊脱落，焊上、装回机床恢复正常工作。
3．奥地利进口 3m数控车床加工球形工件出现周期性波纹
奥地利进口的WZC700数控车床测量装置为瑞士的LS903光栅尺，方式为透射式。
此机床为斜式导轨，在加工圆形、锥形等工件时，精度高，表面质量好。使用中曾出现过加工工件时表面有周期性波纹。通过观察X轴电机在低速运行时出现周期性摆动，怀疑是机械和液压平衡器故障，拆下后检查无故障。故怀疑故障出在X轴测量装置，用双路示波器观察扫描单元送出的两路正弦信号，发现一路正常，一路很小。造成电机低速转速不稳的原因，是测量装置输出信号不稳定，而造成测量值失误，计算机因而送出的指令电压也就不稳定。检查扫描单元，发现乙路上的一个光电池失效，更换一个新的扫描单元后，恢复正常工作。
4．德国加工中心旋转工作台定位不准
从德国引进的加工中心旋转工作台B轴接连出现定位不准现象。根据每次定位偏差不一样的故障现象，怀疑是脉冲整形插值器和数控计算机测量板的元器件不稳定造成测量精度下降，更换这两种装置，故障仍然存在，因此怀疑是光栅尺有问题，用示波器观察扫描单元的输出正弦波信号，输出波形正常，两路信号幅值都很低。测量圆光栅光源电流发现，比原来小1／4。拆开后发现4个并联灯泡有一个烧断，更换一个，故障排除。
四、结语
本文介绍了德国HEIDENHAIN公司生产的光栅测量装置的基本结构和工作原理，通过四个例子总结了光栅测量装置的四大故障类型，即第一：光学系统引起的故障，第二：断线、接触不良引起的故障，第三：光电接收元件（光电池）引起的故障，第四：光源引起的故障。
12/12/2011
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