机床用光栅测量技术的最新发展

随着数控技术在机床制造领域的普及，现代机床在加工速度，加工精度和可靠性方面都有了巨大的进步。作为数控机床核心技术之一的光栅测量技术对保障现代机床的各项性能指标起着决定性的作用。清楚了解现代光栅测量技术的发展趋势，正确选择适合自身需求的光栅测量系统对机床设计师和机床用户有着重要的意义。 光源玻璃标聚光扫描掩绝对轨增量轨 全闭环控制逐渐成为标准 感光元 传感单元阵列 由精密丝杠和编码器构成的半闭环控制系统对于机床热变形导致的加工误差无法进行补偿。在过去的十余年中，采用数学建模预测变形或通过实时测量温度变化来计算变形等尝试在技术上和经济性上都未能取得令人满意的结果。 采用全闭环控制结构的机床，机床传动部件的热变形处于位置控制环之内，误差自动得到补偿。与半闭环系统不同，全闭环系统的补偿效果几乎不随机床工况，磨损状况及加工程序的不同而发生变化，机床可以长期保持初始加工精度。这对于机床生产厂家和用户来说，都意味着巨大的经济效益。 绝对式光栅正成为趋势 所谓绝对式光栅是相对于增量式光栅而言的，增量式光栅通过对光栅探头扫描过的栅线进行计数来获得相对运动的距离数据。为了获得绝对位置，增量式光栅在开机后须执行过参考点动作。

图1 增量式光栅在过参考点之前无法提供绝对位置信息

绝对式光栅以不同宽度，不同间距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，光栅开机后立刻可以提供绝对位置信息，无需执行过参考点动作。 通常绝对式光栅在绝对轨之外还同时配备有增量轨，用以进一步提高光栅的精度与分辨率。

图2 绝对式光栅开机后可立刻提供绝对位置信息

近几年以来，尤其是在工业水平较高的国家，绝对式光栅因其不可取代的种种优点，得到了越来越广泛的应用。

 优点一：缩减机床非生产时间

机床在使用过程中，经常会因故障或其他原因而被迫关机重新启动。 对于仅装备了增量式光栅的机床，开机后必须对每一轴执行过参考点动作。与正常开机后执行过参考点动作所不同的是，机床的刀具此时通常还处于加工位置，与工件有直接接触，有时甚至还处于工件的内部（如钻孔，攻螺纹等），为了安全地进行过参考点动作，必须首先手动将刀具移出加工位置。这对于刀具的指向有可能还与X，Y，Z轴成一定角度的多轴机床来说尤其困难，往往要耗费大量的时间和人力。

图3 刀具指向与X, Y, Z轴不平行时，增加了（故障后）手动移出刀具的难度。

对由多台加工设备构成的自动生产线，在其中一台设备出现故障须从新启动时，可能不得不对生产线内所有设备进行过参考点动作，如对象上残留有未加工完的工件还要进行特殊的操作处理。 配备了绝对式光栅的机床或生产线在重新开机后立刻重新获得各轴绝对位置以及刀具的空间指向，因此可以立刻从中断处开始继续原来的加工程序，大大提高了机床的有效加工时间。

优点二：提高机床可靠性

机床的可靠性直接决定零件生产的效率和经济性。机床每分钟的故障时间对用户而言都意味着成本的增加。因此，机床设计的一个趋势是对重要部件的状态进行实时监控。 海德汉的绝对式光栅通过其双向通信 EnDat 数据接口支持此类实时监控功能。EnDat 数据接口除了绝对位置值外，还向数控系统传输光栅的工作状况，例如： 透镜LED光源 光栅标尺 栅距• 读数头光源调节余量是否接近极限 • 读数头最大允许移动速度是否超标 • 工作温度是否超出允许范围 EnDat在上述情况出现时，可向数控系统发出预警信号。此时，光栅仍可正常工作，但用户可依据该预警信号提前实施相应对策，防止造成更大损失。 扫描掩膜光栅出现严重故障时，EnDat 还会向数控系统发出警报信号。数控系统可依据该信号决定是否中止加工以保护机床和工件。在排除故障时，维修人员可以按照EnDat提供的信息在最短时间内查找到故障的根源，如： 参考点 栅状感光元件 • 光栅电源过低； • 读数头工作不正常； • 输出信号幅值过低等。 通过发送预警和警报两个等级的故障信号，海德汉绝对式光栅可以极大地提高用户维护工作的效率，减少光栅故障造成停机的几率。 机床的可靠性也由此得到提高。

优点三：提高机床安全性

为了对机床的机械运动部分进行保护, 通常采用行程开关来确保机床各部件的运动不超出允许范围。行程开关长期处在恶劣环境之中（冷却液，金属屑等），极易损坏。加上机床正常运行时较少使用到行程开关，所以无法随时确定其功能是否仍然正常。为了保证工作安全，用户将不得不定期检查行程开关的状态。 采用绝对式光栅的机床可以在任何时间确定机床运动部件所处位置，通过在数控系统中作相应设置可以省去行程开关。这样节省了机床用户的设备维护时间，同时也避免了行程开关损坏可能带来的安全问题，提高了机床使用时的安全性。 单场扫描提高编码器的抗干扰性 作为精密的光学测量元件，光栅对工作环境的要求很高。海德汉封闭式光栅采用优化的结构设计和高质量的材料来保证光栅的密闭性以抵抗外来污染物进入光栅内部。 尽管如此，外来污染物还是在某些特定情况下可能进入到光栅内部并附着到光栅线载体和读数头光学部分上。由此导致的光栅故障在所有故障中占有较大的份额。 采用传统四场扫描工作原理的读数头，通过空间上相互独立的四个简单感光元件来探测经过光栅的光线。各感光元件所测电流通过加减运算综合为最终输出信号。 当个别感光元件受到污染或出现故障时，光栅的最终输出信号会出现很大的误差。 海德汉单场扫描读数头采用栅状光电池探测光线，探测面积大为增加。原来由单一感光元件产生的电流信号现在通过若干个感光条共同产生。

图4 单场扫描光栅

光栅或扫描头的局部污染虽然依然影响部分单个感光条，但通过其他感光条的平均作用，光栅最终输出信号所受影响极为有限。

图5 单场扫描光栅与四场扫描光栅抗污染干扰性能对比

优良的抗污染干扰性能使得海德汉单场扫描光栅特别适合工作环境恶劣的场合使用，如加工中心。（加工中心因为多有全封闭外壳，加工时所产生的各类污染物高度集中，所以工况极为恶劣。） 光栅的细分误差成为其应用的重要指标

随着对机床进给系统运动控制品质要求的不断提高，光栅测量系统的细分误差正成为除测量精度，测量步距（分辨率）外一项重要的性能考核指标。 光栅的细分误差指的是测量系统在一个信号周期内（如 20微米内）的误差。与此相对应，测量系统在其全部量程中的误差被定义为测量精度。细分误差通常是周期性误差，而测量精度一般为非周期性误差。 机床运动控制系统从光栅获取位置值时，光栅读数头可能处于一个信号周期的任意位置，控制系统获取位置值的细分误差因此是随机的。对机床运动控制系统而言，细分误差被认为是机床进给系统的运动误差，所以运动系统也随机性地向进给系统动力部件（电机）发送运动控制信号。进给系统动力部件因此长时间执行高频小行程的往复运动。此类运动对机床运动部件，如轴承，丝杠，导轨等，危害较大。进给系统电器部分，如变频器和电机因不断执行加、减速动作，工作电流大，产热和噪音都明显增加，进而影响加工质量和工件精度。

图6 配备了低细分误差（左图）及高细分误差圆光栅的转台的热成像照片。

温差可达20% 同时，尤其对配备了直线电机或扭矩马达的机床，细分误差还直接影响机床进给系统速度控制的品质，细分误差较大的测量系统将直接导致进给系统速度恒定性的不足，进而影响所加工工件的表面质量。 可定义的热变化性能 光栅的生产和测试过程多在恒温环境下进行，温度变化的影响被控制在可以忽略的范围之内。在实际使用中，除了少数实验室可以保证恒温环境外，大多数应用场合的温度都会有波动。 导致温度波动的热源多种多样，外部环境（阳光，供热制冷系统，其他设备等）和内部热源（电器部件，摩擦，切削产热等）是其中主要部分。采用全闭环的机床可以有效补偿机件热膨胀（收缩）所导致的误差。 但是，除了机床部件外，光栅本身也会有热变形。而且光栅的热变形处于全闭环之外，直接影响加工精度并难于补偿。通过特殊的设计和加工工艺，海德汉光栅拥有可定义的热变化性能，确定的热力学零点（零变形点），某些型号光栅的热膨胀系数还与机床床身材料相同，有效减少了机床这部分的误差。 高可靠性 再先进的机床，没有高可靠性就无法为用户创造效益，不会被市场接受。与机床用户被迫停工可能造成的巨大损失相比，为提高机床重要功能部件可靠性的投资是微小的。 基于这种认识，海德汉在研发，生产和测试等各个环节都不余遗力地为提高产品的高可靠性而努力。 产品的设计得益于公司数十年光栅开发经验，尤其是与广大光栅用户的常年密切合作使得海德汉产品的设计不断得到优化，更加贴合用户需要。 在全部生产过程中，海德汉一如既往严格执行全面质量管理，产品质量有口皆碑。尤其值得一提的是，为了真正达到控制产品质量的目的，海德汉光栅产品绝大部分零件都在自有的金属加工，电子和光栅刻线部门生产，避免了外包加工所带来的质量问题。 为了最终确保产品的高可靠性，海德汉对每一件产品都进行严格的测试。测试科目涉及动/静态精度，冲击和振动，疲劳，冷/热/湿环境测试，细分误差，起动性能，防护等级，电磁兼容等等数十项内容。对于其中大多数测量科目，海德汉内部标准都高于通用工业标准的要求。

 图7 光栅质量检验

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