仪表车床的光栅测量系统设计

    0　引言

    随着微细加工技术的不断发展,人们对数控机床的加工精度提出了越来越高的要求,而正确的测出机床的定位误差和采用合适的误差补偿方法进行定位误差的补偿是提高数控机床定位精度的关键。为了满足现代高精密加工定位精度的要求,高精度的位移测量方法得到了快速的发展,现在常用的测量仪器有高精密的光栅、磁栅和激光多普勒测量仪[1]等等,多年来在航空航天、精密机械仪器、数控机床等领域得到了广泛地应用。随着微电子技术的迅速发展和微处理器的出现,采用电子学细分和数字化处理的方法对测量传感器进行电子细分和误差修正,以提高测量系统的分辨率和系统准确度巳成为可能[2]。在高精度的数控机床上,使用光栅作为位置检测装置,将机械位移转换为数字脉冲,反馈给CNC装置,实现闭环控制。由于激光技术的发展,光栅制作精度得到很大提高,光栅精度可达微米级,再通过细分电路可以做到0·1um,甚至更高的分辨率[3]。

    1　系统设计

    文献[4-6]中针对某仪表车床的数控改造进行了详细分析与研究,在机械传动部分改造中由于机床本身的结构和尺寸的影响,只能采用开环控制系统,如图1所示。

    虽然改造完成后大大降低了工人的劳动强度,并在一定程度上提高了产品的加工精度,产生了一定的社会效益,但由于开环系统的精度主要取决于伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性,因此控制精度较低。文献[7-11]均对怎样检测工作台的位移和提高零件加工精度进行了探讨,但他们检测的位移均在纳米级,不适合大多数机床的加工位移范围。文献[12]中的方法相对复杂,从机床改造成本和结构来看也不太合适。本文从加工精度和成本以及仪表车床本身结构尺寸出发,提出了一种全新的设计方案,拟采用光栅作为位置测量元件,形成闭环控制系统,如图2所示。闭环控制系统是一种自动控制系统,数控装置发出指令脉冲后,当指令值送到位置比较电路时,此时若工作台没有移动,即没有位置反馈信号时,指令值使伺服驱动电机转动,经过丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测量元件(光栅),测出工作台的实际位移量后,反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较,并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值,经放大器放大后,再控制伺服驱动电机转动,直到差值为零时,工作台才停止移动。

其装配示意图如图3所示。

    2　光栅测量系统

    2·1　光栅长度测量