絕對式光柵尺的機械結構設計

楊 帆

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130000）

0 引言

隨著我國加工制造業的發展，數控機床的應用越來越廣，對數控機床定位精度與重復定位精度的要求也越來越高，傳統的半閉環控制系統也越來越難滿足用戶的使用需求。基于半閉環控制系統的數控機床具有明顯的缺點: 無法控制機床傳動機構所產生的傳動誤差、高速運轉時傳動機構所產生熱變形誤差，以及加工過程中因傳動系統磨損而產生的誤差，而這些誤差已經嚴重影響到數控機床的加工精度及其穩定性。直線光柵尺對數控機床各線性坐標軸進行全閉環控制，消除上述誤差，提高機床的定位精度、重復定位精度以及精度可靠性，作為提高數控機床位置精度的關鍵部件正日益受到用戶的青睞[1]。

直線光柵尺分為增量式光柵尺與絕對式光柵尺，安裝絕對式光柵尺的數控機床在機床重新開機后無需執行參考點回零操作，就立刻重新獲得各個軸的當前絕對位置值，可以馬上從中斷處開始繼續原來的加工程序，大大地提高數控機床的有效加工時間。在全閉環的高檔數控系統中已經普遍使用絕對式光柵尺和絕對式光柵編碼器，在西方發達國家采用絕對式光柵位移傳感器的占數控機床的80%，目前國內的全閉環高檔數控機床中采用絕對式光柵傳感器的也接近30%[2]。

國際上生產絕對式光柵尺的廠家有德國的HEIDENHAIN（海德漢）、西班牙的FAGOR（發格）、日本的MITUTOYO（三豐）、英國的RENISHAW（雷尼紹）。相比之下，國內目前沒有絕對式光柵尺的產品，但是已經有部分研究所、高校以及企業先后開展了絕對式光柵尺的研制工作，其中中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的研究工作最為突出，其研制出的JC09 型絕對式光柵尺樣機實現了與華中數控HNC-818B 世紀星加工中心數控裝置對接，并應用在長二機床廠的XH714 立式加工中心上[3]。本文將對絕對式光柵尺的工作原理以及絕對式光柵尺的機械結構做相關的研究。

1 絕對式光柵尺的工作原理

圖1 絕對式光柵尺原理圖Fig.1 The schematic diagram of absolute linear encoder

絕對式光柵尺的工作原理如圖1 所示，LED 光源發出的光經過透鏡后形成平行光，經主光柵與指示光柵后照射到ASIC 光電器件上，將光信號轉換成電信號并通過信號處理器計算出位置值，最后通過通訊接口將位置值輸出到后續設備上。其中主光柵由兩條碼道組成，一條碼道為絕對碼道，即下方不規則的碼道，通過該碼道可以實時讀取絕對式光柵尺的絕對位 置；另 外一條碼道為增量碼道，即上方周期為20μm 的規則 碼 道，通過該碼道可以實現信號的高細分，提高光柵尺的分辨力。圖2 為主光柵的實物圖，上方為增量碼道，下方為絕對碼道。指示光柵由兩部分組成，一部分為增量窗口，由增量碼道組成；一部分為透明窗口。ASIC器件也分為兩部分，上面接收增量信號，下方接收絕對信號。

圖2 主光柵實物圖Fig.2 The picture of the main grating

2 結構設計方案

圖3 為絕對式光柵尺原理樣機整體結構圖，圖4 為絕對式光柵尺原理樣機內部結構側視圖，從圖中我們可以看到，光柵尺主要由尺殼、主光柵、密封條和讀數頭這幾部分組成，其中讀數頭包括照明機構、指示光柵滑架、指示光柵、滑架體與滑架體蓋，讀數頭實物圖如圖5 所示。

絕對式光柵尺整體采用封閉式結構，鋁制尺殼保護主光柵、讀數頭免受灰塵、切屑和切削液的影響，密封條保持尺殼的密封，同時在滑架體與滑架體蓋間也要加入密封橡膠，防止切削液的滲入。尺殼在制作時采用的是拉制型材的方法，除了滿足讀數頭和主光柵的安裝空間外，盡量做到外形足夠小，型材拉制出來后變形較小，可以滿足使用需求。主光柵粘接在尺殼上，指示光柵粘接在指示光柵滑架上，ASIC 光電器件粘接在指示光柵上，后續處理電路固定在滑架體與滑架體蓋中。指示光柵滑架與主光柵間采用五軸承滾動機構，通過五個軸承在主光柵上的滾動，保持其長期可靠的運行，為了保證讀數頭在運行過程中指示光柵滑架與主光柵不發生離位，在這里采用六彈簧的定位機構，分別為兩個拉伸彈簧、兩個壓縮彈簧、兩個扭轉彈簧，壓縮彈簧的作用是通過施加壓力將指示光柵滑架下方的三個軸承壓緊在主光柵上，扭轉彈簧的作用是將側方的兩個軸承壓緊在主光柵上，拉伸彈簧保證指示光柵滑架在縱向上的受力，六個彈簧使得光柵尺的讀數頭具有較強的自適應性。

圖3 絕對式光柵尺原理樣機整體結構圖Fig.3 The overall structure diagram of the prototype of absolute linear encoder

圖4 絕對式光柵尺原理樣機內部結構側視圖Fig.4 The side view of the internal structure of the absolute linear encoder's prototype

圖5 絕對式光柵尺讀數頭實物圖Fig.5 The picture of the reading head of absolute linear encoder

在機床上使用光柵尺時，光柵尺的安裝分為兩種，一種是將尺殼固定在機床的靜止部件上，將讀數頭固定在機床的運動部件上；另外一種是將尺殼固定在機床的運動部件上，將讀數頭固定在機床的靜止部件上，一般選擇第二種安裝方式，因為讀數頭上連接有電纜線，當讀數頭運動時，電纜線也要隨之運動，對排線會有一定的要求，實際使用時可根據機床實際使用環境選擇適當的安裝方式。當尺殼與讀數頭發生相對運動時，尺殼中的主光柵與讀數頭上的指示光柵也發生相對運動，從而進行位置測量。

3 結束語

隨著我國加工制造業的進一步發展，絕對式光柵尺的需求量會越來越大，每個高檔數控機床都需配備三個軸的絕對式光柵尺，不容小覷。擺脫國外產品壟斷，加快自主研發是當前的首要任務，目前中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研發的絕對式光柵尺已小批量應用到國內的一些數控機床廠家，正逐步向產業化邁進，同時，我們也自主研發了絕對式光柵尺母尺刻劃曝光系統[4]及絕對式光柵尺母光柵刻劃裝置[5]。希望在不久的將來，我們國家生產的高檔數控機床上都能配備有我們自己的絕對式光柵尺。

[1] 吳宏圣.應用于數控機床的絕對式光柵尺[J].世界制造技術與裝備市場，2012，5.

[2] 盧國綱. 絕對式光柵尺和編碼器是當代位移傳感器發展主流-CIMT2011 精密位移傳感器評述[J]. 世界制造技術與裝備市場，2011，8.

[3] 孫強.高精度絕對式光柵尺研究進展及技術難點[J].世界制造技術與裝備市場，2012，5.

[4] 劉華，盧振武，等.絕對式光柵尺母尺刻劃曝光系統[J].光學精密工程，2014，7.

[5] 鄭黎明，譚向全.絕對式光柵尺母光柵刻劃裝置的設計[J].機電產品開發與創新，2014，5.