数控检测系统常见故障维修方法

郭 烽赵维浩苏 宾刘丽丽

（1.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 辽宁沈阳 2.中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司 辽宁沈阳）

在现代数控机床中，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。海德汉光栅尺在机加工设备中的应用最为广泛，且很具有代表性。

一、光栅尺构成与工作原理

1.光栅尺构成

德国HEIDENHAIN公司是世界著名的光栅生产厂家，其技术、品种、产量和市场占有率都居世界领先水平，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。

2.光栅尺工作原理

图1 光栅检测系统

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，如图2所示。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。

图2 光栅尺原理简图

二、常见故障分析与处理

1.零件加工后超差

某数控机床在加工完成后，发现零件出现超差现象，且机床无任何报警。由于机床无任何报警，且机床采用全闭环控制系统，在排除机床机械故障的前提下，如出现超差只有可能是系统定位及位置检测系统故障，即超差所在方向轴光栅尺故障。经过分析后，初步判断为机床位置环故障即电子光栅尺故障，简单来说就是数控系统发出定位指令，电机还没有运行到计算位置，然而系统位置由光栅尺决定，此时虽没有到达预定位置，但光栅尺认为此时已经到达预定位置，导致零件出现超差。根据上述分析，此类故障通常都是由于光栅尺或读数头脏污造成的，拆开所在轴护板，检查光栅尺及读数头外观，未发现异常，将光栅尺、读数头拆下后进行清理，重新安装后故障依然存在，这时判断是光栅尺或读数头硬件故障，更换读数头后故障依然存在，最后更换光栅尺后故障排除。

2.工作台移动记录返回到终点的数据不能回零

在测量数据过程中丢数，即工作台移动全程记录的数据变小，而返回到终点数据也不能减计数到零。根据以往的经验分析，出现此故障的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。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，其他方向测量数据正确，采用的方法是把纵向读数头的信号送到其他方向的信息处理电路，得到的测量数据仍然是错误的，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（＜2.5 V）。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故障。

3.直线轴在运行中报警

某数控机床的直线轴在运行中出现报警。由于振动或其他原因，造成机床在使用中读数头与光栅刻度尺间距变大，数控系统误认为光栅尺已坏所致。

按光栅尺说明书的要求调整读数头与光栅尺的距离。读数头与光栅尺尺身之间的间距为1～1.5 mm，最好不超过2 mm。光栅尺的安装位置不合适，如安装在油池附近，油气等将光栅尺污染，这时要分别清洁光栅尺的定尺和动尺，在安装之后再进行光栅尺的调试才可使用。读数头的位置安装不合适，造成读数头损坏，更有甚者，光栅尺定尺内出现铝合金碎屑，光栅刻线出现损坏，造成光栅尺定尺的彻底报废。

三、结束语

光栅尺是数控机床的主要部件，在保证机床高精度运行过程中起着至关重要的作用，并且造价昂贵。因此，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。