数控检测系统原理与维修

肖建勋

摘要：现代数控机床中，为保证机床加工精度和速度的要求，检测装置作为核心部件扮演着重要角色。目前检测元件主要有光栅尺，编码器，旋转变压器，测速发电机等。对于高精度的数控系统来说，光栅尺是必不可少的检测元件，由它来测定数控系统的位置和速度，发送反馈信号给CNC装置，它直接影响着数控机床的加工精度。

关键词：数控检测；；工作原理；故障维修

数控机床故障产生的原因是多种多样的，有机械问题、数控系统的问题、传感元件的问题、驱动元件的问题、强电部分的问题、线路连接的问题等。在面对数控机床故障和维修问题时，首先要防患于未燃，不能在数控机床出现问题后才去解决问题，要做好日常的维护工作和了解机床本身的结构和工作原理，这样才能做到有的放矢。

1数控机床对检测装置的要求

2检测装置的种类

2.1根据被测物理量可分为位移、速度和电流三种类型。

2.2根据安装位置及耦合方式，分为直接测量和间接测量。回转型测量装置是测量回转角的大小，对机床的直线佗移是间接测量，其测量精度取决于测量装置和机床传动机构两者的精度；直线型测量装置是直接测量机床的直线位移量，其测量精度主要取决于测量装置的精度，与机床传动机构的精度无关。

2.3按测量方法分为增量式和绝对式两大类。绝对式是指直接把被测转角或位移转换成相应的代码，指示出绝对位置，没有累积误差，而且掉电后位置信息不会丢失；增量式检测装置是测出被测转角或位移量的相对值，通常是滑尺相对定尺的位移量，且以机床或工件上某一点为参考点，反映工作台或刀具相对某参考点的增量。

2.4按预测信号的类型分为模拟式和数字式两大类。数字式是指将机械位移或转角的模拟量转变为数字脉冲输出的测量装置；模拟式是指将机械位移转变为感应电势的相位或幅值输出的测量装置。同一种检测元件，既可以做成数字式也可以做成模拟式，主要取决于测量线路及使用要求。

2.5按检测装置的运动形式分为旋转型和直线型两类。直线型位置检测装置用来测量运动部件的直线位移量；旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转角量(转动位移量)来间接测量其直线位移量。从信号的转换原理可分为光电效应、光栅效应、电磁感应、压电效应、磁阻效应等类型的检测装置。

3光栅尺构成与工作原理

3.1光栅尺构成。目前绝大多数全闭环结构的数控机床上均配套该公司的产品。

HEIDENHAIN公司生产的光栅检测系统，由栅尺部分和EXE(脉冲放大、整形及细分)两部分组成，如图1所示。栅尺检测机床位移并送出位移量和位移方向信号到EXE进行放大、整形和电子细分，最后经长线驱动送入CNC，形成全闭环控制系统。

图1光栅检测系统

3.2光栅尺工作原理。光栅尺位置测量系统由光源、透镜、指示光栅、光电元件、信号处理电路以及标尺光栅组成。通常情况下，除标尺光栅外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路装在一个部件内，这个部件称为读数头。光栅尺依据相对运动的原理来产生光信号，这些信号经过光电器件的转换处理后，用来检测机械装置的位移。输出信号是由光源通过刻在直线尺或盘片的栅格线后，再经光电转换装置的处理产生的。读数装置由光源、刻线玻璃与栅格窗、以及光电二极管接收装置组成。红外线光束被光电二极管接收前，先通过有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗间的相对运动回产生正弦波形式的光波，这种光波经光电二极管接收后，会转换成最初始的电流正弦波信号，这些电信号的周期与栅距是一样的。

4数控机床的维护

对于数控机床来说，合理的日常维护措施，可以有效的预防和降低数控机床的故障发生几率。首先，针对每一台机床的具体性能和加工对象制定操作规程建立工作、故障、维修档案是很重要的。包括保养内容以及功能器件和元件的保养周期。其次，在一般的工作车间的空气中都含有油雾、灰尘甚至金属粉末之类的污染物，一旦他们落在数控系统内的印制线路或电子器件上，很容易引起元器件之间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及印制线路受到损坏。所以除非是需要进行必要的调整及维修，一般情况下不允许随便开启柜门，更不允许在使用过程中敞开柜门。另外，对数控系统的电网电压要实行时时监控，一旦发现超出正常的工作电压，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子部件的损坏。所以配电系统在设备不具备自动检测保护的情况下要有专人负责监视，以及尽量的改善配电系统的稳定作业。当然很重要的一点是数控机床采用直流进给伺服驱动和直流主轴伺服驱动的，要注意将电刷从直流电动机中取出来，以免由于化学腐蚀作用，是换向器表面腐蚀，造成换向性能受损，致使整台电动机损坏。这是非常严重也容易引起的故障。

5光栅位置检测装置的原理

光源发出的辐射光线，经过透镜后变为平行的光束照射光栅尺。并透过光栅尺照射到光敏元件上。标尺光栅上的线纹与指示光栅上的线纹在空问形成一定角度Ø放置。从而形成两光栅尺上的线纹相互交叉，在平行光束的照射下，两光栅尺线纹交叉点附近区域，由于线纹重叠，透明区域变大，透射光线效果最好，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距交叉点越远，两光栅尺不透明的黑线的重叠部分越少，黑线所占区域将增多，则遮光面积增大，挡光效应增强，只有少量光线透过光栅尺，从而使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直的亮、暗相间的光带称为莫尔条纹。严格地说莫尔条纹的排列方向与两光栅尺线纹夹角的平分线垂直。当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹也将随之移动，并且莫尔条纹的移动方向与两光栅尺相对移动的方向垂直；当两光栅尺相对移动一个栅距d时，则莫尔条纹也相应地移动莫尔条纹宽度形；若两光栅尺相对移动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也随之改变。莫尔条纹由亮带到暗带、再由暗带到亮带。即透过两光栅尺的光线强度的分布近似余弦规律。当两光栅尺相对移动时，照射到同一点(如光敏元件)上的光强也将是按余弦规律变化的。光敏元件是一种将光强信号转变为电信号的光电转换元件。当一束光强变化规律为余弦的光信号照射光敏元件时，光敏元件将输出余弦规律变化的电压信号。

6维修实例分析

6.1故障现象，在测量数据过程中丢数，(即工作台移动伞程记录的数据变小，而返回到终点数据也不能减计数到零)。

6.2分析原因。一个可能是信息处理电路的故障；另一个可能是读数头的故障。

6.3维修过程。首先确定是读数头部分还是信息处理电路的故障。由于只是纵向工作台移动测量数据出错。其它方向测量数据正确。采用的方法是把纵向读数头的信号送到其它方向的信息处理电路，得到的结果是，测量的数据仍然是错误的，由此可判断故障在读数头。把读数头的外壳打开后，光源灯亮，工作台移动时也能看到莫尔条纹在光敏元件上下移动，于是怀疑光敏元件损坏，通过示波器测得差动放大器输出信号波形幅值较低(低于2．5V)。换上一个新的光敏元件后，故障依旧。之后发现透镜松动，则怀疑透镜的焦距、焦点改变。(透镜支架上有调节透镜角度的螺钉)，于是调节透镜角度，同时移动工作台，观察示波器波形，在改变透镜角度的过程中，其波形的幅值也随之改变，调节在一个最佳位置，使其波形幅值最大。此时测量数据也正确了。将透镜紧固后，故障排除。由分析得知，由于透镜的松动，使焦点的位置改变，虽然能看到莫尔条纹移动，但是光强的差别变小而使波形的幅值变小。从而使得记录数据的过程中出现丢数的故障。

在对光栅尺进行维修的过程中，一定要慎之又慎，避免在维修过程中对光栅造成二次损伤，给公司造成无可挽回的经济损失。

参考文献：

[1]刘英．数控原理与维修技术．2014.

[2]王爱玲,张吉堂,吴雁编著.现代数控原理及控制系统[M].国防工业出版社,2005

[3]任建平主编.现代数控机床故障诊断及维修[M].国防工业出版社,2005

[4]韩鸿鸾,荣维芝主编.数控原理与维修技术[M].机械工业出版社,2004