光柵線位移傳感器的結構原理和安裝與維護
- 2008-5-30 16:58:12
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關 鍵 詞：光柵尺,安裝,位移傳感器
文獻摘要：光柵數顯測量系統是一種能自動檢測和自動顯示的光機電一體化產品，是改造舊機床，裝備新機床以及各種長度計量儀器的重要配套件，是用微電子技術改造傳統工業的方向之一。本文以我公司生產的BG1/KG1型系列光柵線位移傳感器為例，就其結構、原理、安裝與維護作一介紹。
光柵數顯測量系統是一種能自動檢測和自動顯示的光機電一體化產品，是改造舊機床，裝備新機床以及各種長度計量儀器的重要配套件，是用微電子技術改造傳統工業的方向之一。
由于光柵數顯測量系統具有精度高，安裝及操作容易，價格低，回收投資快等優點而得到大量使用。為使廣大用戶能夠更好地掌握運用好這一產品，本文以我公司生產的BG1/KG1型系列光柵線位移傳感器為例，就其結構、原理、安裝與維護作一介紹。
一、結構
BG1/KG1系列光柵線位移傳感器是我公司生產的主導產品之一,分為BG1型閉式結構和KG1型開啟式結構兩種類型。BG1型閉式結構的光柵尺為50線/mm，KG1型開啟式結構的光柵尺為100線/mm。
KG1型開啟式傳感器的標尺光柵裸露在外，微型發光器件和接收器件都裝在傳感頭里。它的精度較高，要求的工作環境條件高，通常運用于精密儀器及使用條件較好的數控設備上。BG1型閉式傳感器的特點是發光器件、光電轉換器件和光柵尺封裝在緊固的鋁合金型材里。發光器件采用紅外發光二極管，光電轉換器件采用光電三極管。在鋁合金型材下部有柔性的密封膠條，可以防止鐵屑、切屑和冷卻劑等污染物進入尺體中。電氣連接線經過緩沖電路進入傳感頭，然后再通過能防止干擾的電纜線送進光柵數顯表，顯示位移的變化。閉式光柵線位移傳感器的結構及輸出波形見圖1、圖2。
BG1型閉式傳感器的傳感頭分為下滑體和讀數頭兩部分。下滑體上固定有五個精確定位的微型滾動軸承沿導軌運動，保證運動中指示光柵與主柵尺之間保持準確夾角和正確的間隙。讀數頭內裝有前置放大和整形電路。讀數頭與下滑體之間采用剛柔結合的聯接方式，既保證了很高的可靠性，又有很好的靈活性。讀數頭帶有兩個聯接孔，主光柵尺體兩端帶有安裝孔，將其分別安裝在兩個相對運動的兩個部件上，實現主光柵尺與指示光柵之間的運動進行線性測量。
二、基本原理
光柵位移傳感器的工作原理，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產生黑白相間（或明暗相間）的規則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經過光電器件轉換使黑白（或明暗）相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號，再經過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90o的正弦波或方波，送入光柵數顯表計數顯示。
三、安裝方式
光柵線位移傳感的安裝比較靈活，可安裝在機床的不同部位，一般將主尺安裝在機床的工作臺（滑板）上，隨機床走刀而動，讀數頭固定在床身上，盡可能使讀數頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數頭朝上的方式安裝時，則必須增加輔助密封裝置。另外，一般情況下，讀數頭應盡量安裝在相對機床靜止部件上，此時輸出導線不移動易固定，而尺身則應安裝在相對機床運動的部件上（如滑板）。
（圖一）
(圖二）
1、安裝基面
安裝光柵線位移傳感器時，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床身上，更不能安裝在打底涂漆的機床身上。光柵主尺及讀數頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上，移動工作臺，要求達到平行度為0.1mm/1000mm以內。如果不能達到這個要求，則需設計加工一件光柵尺基座。基座要求做到：①應加一根與光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出光柵尺50mm左右）。②該基座通過銑、磨工序加工，保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內。另外，還需加工一件與尺身基座等高的讀數頭基座。讀數頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時，調整讀數頭位置，達到讀數頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。
2、主尺安裝
將光柵主尺用M4螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上，但不要上緊，把千分表固定在床身上，移動工作臺（主尺與工作臺同時移動）。用千分表測量主尺平面與機床導軌運動方向的平行度，調整主尺M4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內時，把M2螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時，應注意如下三點：
（1） 在裝主尺時，如安裝超過1.5M以上的光柵時，不能象橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個主尺尺身中有支撐。
（2） 在有基座情況下安裝好后，最好用一個卡子卡住尺身中點（或幾點）。
（3） 不能安裝卡子時，最好用玻璃膠粘住光柵尺身，使基尺與主尺固定好。
3、讀數頭的安裝
在安裝讀數頭時，首先應保證讀數頭的基面達到安裝要求，然后再安裝讀數頭，其安裝方法與主尺相似。最后調整讀數頭，使讀數頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內，其讀數頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以內。
4、限位裝置
光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機床導軌上安裝限位裝置，以免機床加工產品移動時讀數頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購光柵線位移傳感器時，應盡量選用超出機床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以留有余量。
5、檢查
光柵線位移傳感器安裝完畢后，可接通數顯表，移動工作臺，觀察數顯表計數是否正常。
在機床上選取一個參考位置，來回移動工作點至該選取的位置。數顯表讀數應相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表與數顯表同時調至零（或記憶起始數據），往返多次后回到初始位置，觀察數顯表與千分表的數據是否一致。
通過以上工作，光柵傳感器的安裝就完成了。但對于一般的機床加工環境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應附帶加裝護罩，護罩的設計是按照光柵傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。
四、使用注意事項
（1）光柵傳感器與數顯表插頭座插拔時應關閉電源后進行。
（2）盡可能外加保護罩，并及時清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異物進入光柵傳感器殼體內部。
（3）定期檢查各安裝聯接螺釘是否松動。
（4）為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油，注意勿濺落在玻璃光柵刻劃面上。
（5） 為保證光柵傳感器使用的可靠性，可每隔一定時間用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔。
（6） 光柵傳感器嚴禁劇烈震動及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂，光柵傳感器即失效了。
（7） 不要自行拆開光柵傳感器，更不能任意改動主柵尺與副柵尺的相對間距，否則一方面可能破壞光柵傳感器的精度；另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報廢。
（8） 應注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布，引起測量誤差。
（9） 光柵傳感器應盡量避免在有嚴重腐蝕作用的環境中工作，以免腐蝕光柵鉻層及光柵尺表面，破壞光柵尺質量。
五、常見故障現象及判斷方法
1、接電源后數顯表無顯示
（1）檢查電源線是否斷線，插頭接觸是否良好。
（2）數顯表電源保險絲是否熔斷。
（3）供電電壓是否 符合要求。
2、數顯表不計數
（1）將傳感器插頭換至另一臺數顯表，若傳感器能正常工作說明原數顯表有問題。
（2）檢查傳感器電纜有無斷線、破損。
3、數顯表間斷計數
（1）檢查光柵尺安裝是否正確，光柵尺所有固定螺釘是否松動，光柵尺是否被污染。
（2）插頭與插座是否接觸良好。
（3）光柵尺移動時是否與其他部件刮碰、摩擦。
（4）檢查機床導軌運動副精度是否過低，造成光柵工作間隙變化。
4、數顯表顯示報警
（1）沒有接光柵傳感器。
（2）光柵傳感器移動速度過快。
（3）光柵尺被污染。
5、光柵傳感器移動后只有末位顯示器閃爍
（1）A或B相無信號或不正常只有一相信號。
（2）有一路信號線不通。
（3）光敏三極管損壞
6、移動光柵傳感器只有一個方向計數，而另一個方向不計數（即單方向計數）
（1）光柵傳感器A、B信號輸出短路.
（2）光柵傳感器A、B信號移相不正確。
（3）數顯表有故障。
7、讀數頭移動發出吱吱聲或移動困難
（1）密封膠條有裂口。
（2）指示光柵脫落，標尺光柵嚴重接觸摩擦。
（3）下滑體滾珠脫落。
（4）上滑體嚴重變形。
8、新光柵傳感器安裝后，其顯示值不準
（1）安裝基面不符合要求。
（2）光柵尺尺體和讀數頭安裝不合要求。
（3）嚴重碰撞使光柵副位置變化。
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