光柵尺作為數(shù)控機(jī)床直線軸的位置檢測元件，相當(dāng)于人的“眼睛”，就是“監(jiān)視”直線軸在執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)的移動(dòng)指令后，該直線軸是否真正準(zhǔn)確地運(yùn)行到數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置。如果數(shù)控機(jī)床沒有安裝光柵尺，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出直線軸的移動(dòng)指令后，直線軸能否到達(dá)數(shù)控系統(tǒng)要求的位置，完全依靠數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試的精度和機(jī)械傳動(dòng)精度來保障。
數(shù)控機(jī)床使用一段時(shí)間后，由于電氣調(diào)試參數(shù)的修改和機(jī)械誤差的加大等原因，該直線軸很可能和數(shù)控系統(tǒng)指令所要求的位置相差很多，這時(shí)候數(shù)控系統(tǒng)根本不知道，維修和操作機(jī)床的人員也不知道，要想知道這個(gè)差距，維修人員就要對機(jī)床進(jìn)行精度檢測。所以數(shù)控機(jī)床沒有安裝光柵尺，就要定期對機(jī)床的精度進(jìn)行檢查，一旦忘記檢測數(shù)控機(jī)床的精度，很可能導(dǎo)致加工的產(chǎn)品精度超差甚至報(bào)廢。
如果數(shù)控機(jī)床的直線軸安裝了光柵尺，上述問題就不用人來操心了，由光柵尺來完成這個(gè)使命。如果該直線軸由于機(jī)械等原因沒有準(zhǔn)確到達(dá)該位置，光柵尺作為位置檢測元件，會(huì)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出反饋指令，使該直線軸能夠到達(dá)比較準(zhǔn)確的位置。這時(shí)的光柵尺充當(dāng)了獨(dú)立于機(jī)床之外的監(jiān)督功能，像人的眼睛一樣，一直“監(jiān)視”著直線軸的位置，保證了直線軸能夠達(dá)到數(shù)控系統(tǒng)要求的位置。
在生產(chǎn)新機(jī)床或舊機(jī)床改造中，采用光柵尺的目的是增加直線軸的運(yùn)行準(zhǔn)確性。但運(yùn)行準(zhǔn)確性不完全取決于光柵尺，主要取決于該直線軸的機(jī)械部分的幾何精度。光柵尺不能取代機(jī)械的精度，它只能“錦上添花”。很多人在這個(gè)問題的認(rèn)識上存在偏差，如果機(jī)床的直線軸的幾何精度很差，比如一些車床Z軸采用齒條進(jìn)行傳動(dòng)，反向間隙很大，該軸即使采用光柵尺后，當(dāng)該軸到達(dá)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行指令位置附近，由于該直線軸的傳動(dòng)精度不高，在準(zhǔn)確位置前后會(huì)出現(xiàn)震蕩。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)無法控制機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱變形誤差、傳動(dòng)系統(tǒng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損引起的誤差。加工過程中，這些誤差已經(jīng)嚴(yán)重影響了數(shù)控機(jī)床的加工精度及其穩(wěn)定性。直線光柵尺對數(shù)控機(jī)床各直線坐標(biāo)軸進(jìn)行全閉環(huán)控制，減少了上述誤差，提高了機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度和精度可靠性。作為提高數(shù)控機(jī)床定位精度的關(guān)鍵部件，越來越受到用戶的青睞。
數(shù)控機(jī)床的精度
數(shù)控機(jī)床精度主要有三個(gè)方面：幾何精度、定位精度和加工精度。
機(jī)床幾何精度，又稱機(jī)械精度，是綜合反映機(jī)床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。使用的檢測工具和方法跟普通機(jī)床相比基本相同，但要求就更高。以一臺(tái)普通立式加工中心的幾何精度為例：
1)工作臺(tái)面的平面度
2)各坐標(biāo)方向移動(dòng)的相互垂直度
3)X、Y坐標(biāo)方向的移動(dòng)的工作臺(tái)面的平行度
4)主軸的旋轉(zhuǎn)精度
5)主軸箱沿Z坐標(biāo)軸心線方向移動(dòng)時(shí)主軸線的平行度
6)主軸在Z軸坐標(biāo)方向移動(dòng)的直線度
機(jī)床定位精度，是指機(jī)床主要部件在運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)所能達(dá)到的實(shí)際位置精度。實(shí)際位置與定位位置之間的誤差稱為定位誤差。數(shù)控機(jī)床的定位精度又可以理解為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，因此定位精度決定于數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)誤差。機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)是在數(shù)控裝置的控制下完成的，各運(yùn)動(dòng)部件所能達(dá)到的精度直接反映加工零件所能達(dá)到的精度，所以，定位精度是項(xiàng)很重要的檢測內(nèi)容。
重復(fù)定位精度，是指在數(shù)控機(jī)床上反復(fù)運(yùn)行同一程序代碼，所得到的位置精度的一致程度。重復(fù)定位精度受伺服系統(tǒng)特性、進(jìn)給傳動(dòng)環(huán)節(jié)的間隙與剛性以及摩擦特性等因素的影響。一般情況下，重復(fù)定位精度是呈正態(tài)分布的偶然性誤差，它影響一批零件加工的一致性，是一項(xiàng)非常重要的精度指標(biāo)。
加工精度
機(jī)床的幾何精度和定位精度通常是在沒有切削載荷以及機(jī)床不運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)速度較低的情況下檢測的，只能在一定程度上反映機(jī)床的加工精度。因?yàn)闄C(jī)床在實(shí)際工作狀態(tài)下，還有一系列因素會(huì)影響加工精度。例如，由于切削力、夾緊力的作用，機(jī)床的零部件會(huì)產(chǎn)生彈性變形。在機(jī)床內(nèi)部熱源(如電動(dòng)機(jī)、液壓傳動(dòng)裝置的發(fā)熱軸承、齒輪等零件的摩擦發(fā)熱等）以及環(huán)境溫度變化的影響下，機(jī)床零部件將產(chǎn)生熱變形。由于切削力和運(yùn)動(dòng)速度的影響，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件以工作速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于相對滑動(dòng)面之間的油膜以及其他因素的影響，其運(yùn)動(dòng)精度也與低速下測得的精度不同。所有這些都將引起機(jī)床靜態(tài)精度的變化，影響工件的加工精度。機(jī)床在外載荷、溫升及振動(dòng)等工作狀態(tài)作用下的精度，稱為機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度。動(dòng)態(tài)精度除與靜態(tài)精度有密切關(guān)系外，還在很大程度上決定于機(jī)床的剛度、抗振性和熱穩(wěn)定性等。
目前，生產(chǎn)中一般是通過切削加工出的工件精度來考核機(jī)床的綜合動(dòng)態(tài)精度，稱為機(jī)床的工作精度。工作精度是各種因素對加工精度影響的綜合反映。
機(jī)床精度提高
目前，在零件加工行業(yè)中，提高數(shù)控機(jī)床加工精度的方法主要有兩種：一種是誤差預(yù)防法；另一種是誤差補(bǔ)償法。
所謂防錯(cuò)，是指提高零部件設(shè)計(jì)、加工、裝配的質(zhì)量水平，有效控制環(huán)境因素，達(dá)到消除或減少誤差源的目的等措施。例如，采用高剛性、熱對稱的導(dǎo)軌和滾珠絲杠進(jìn)行室溫控制，可以有效地降低機(jī)床的熱變形和熱源的溫升，從而減少誤差的發(fā)生。
誤差預(yù)防方法主要分為三類：尺寸誤差幾何誤差預(yù)防、熱變形誤差預(yù)防和其他誤差預(yù)防。誤差預(yù)防方法可以在一定程度上降低誤差發(fā)生的概率，但要完全消除熱變形和幾何誤差幾乎是不可能的。另外，母機(jī)床的加工精度對其影響很大，提高零件質(zhì)量的成本太高，在實(shí)際應(yīng)用中并不常見。
誤差補(bǔ)償法，在數(shù)控機(jī)床上安裝精密元件探頭、位置傳感器、光柵尺等設(shè)備，使機(jī)床的加工誤差實(shí)時(shí)反饋給數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)床自動(dòng)補(bǔ)償加工精度，提高了零件的加工精度，大大節(jié)約了原材料成本。
光柵尺作為直線軸的位置檢測元件時(shí)常見的幾種故障
1、直線軸在回參考點(diǎn)中，找不到零脈沖。
在表現(xiàn)形式上就是該軸在回參考點(diǎn)時(shí)一直運(yùn)行直到撞到該軸的限位。
這種故障發(fā)生的原因一般是讀數(shù)頭或光柵尺不潔引起。把讀數(shù)頭卸下來用無水乙醇沖洗干凈，用絲綢布沾上無水乙醇把帶有刻度部分清潔干凈即可。
2、數(shù)控機(jī)床的直線軸在運(yùn)行中出現(xiàn)報(bào)警。
如果采用西門子840D或力士樂數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警“硬件編碼器錯(cuò)誤”；如果采用發(fā)格數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警“反饋錯(cuò)誤”。原因：
?、儆捎谡饎?dòng)或其它原因，造成機(jī)床在使用中讀數(shù)頭與光柵刻度尺的間距變大，數(shù)控系統(tǒng)誤認(rèn)為光柵尺壞了。處理該故障的方法是按光柵尺說明書的要求調(diào)整讀數(shù)頭與光柵尺的距離。讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右，最好別超過2mm.。
?、诠鈻懦叩陌惭b位置不合適，如安裝在油池附近，油氣等將光柵尺污染，這時(shí)候就要把光柵尺的“定尺”和“動(dòng)尺”分別進(jìn)行清潔，然后再安裝之后進(jìn)行光柵尺的調(diào)試才可使用。
?、圩x數(shù)頭的位置安裝不合適，造成讀數(shù)頭損壞，更有甚者，光柵尺定尺內(nèi)出現(xiàn)鋁合金碎屑，光柵刻線出現(xiàn)損壞，造成光柵尺定尺的徹底報(bào)廢。
3、數(shù)控機(jī)床的直線軸出現(xiàn)暴走
當(dāng)數(shù)控機(jī)床的直線軸出現(xiàn)暴走時(shí)，一般情況下是該直線軸的位置檢測元件光柵尺被污染，需要對光柵尺的光柵或讀數(shù)頭進(jìn)行保潔才可消除故障。
4、其他故障情況
在多年的數(shù)控機(jī)床維修中，我們發(fā)現(xiàn)光柵尺作為數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測元件，在機(jī)床的機(jī)械部分良好的情況下，可以提高機(jī)床直線軸的定位精度。除此之外，光柵尺還可以檢測機(jī)床機(jī)械部分存在的隱患或問題。
一臺(tái)武重生產(chǎn)的C61200車床經(jīng)過數(shù)控化改造后，采用發(fā)格8055TC數(shù)控系統(tǒng)。一次在加工軋輥時(shí)，由于軋輥的輥身呈現(xiàn)橢圓形，當(dāng)機(jī)床的刀具吃上輥身尺寸較大的地方時(shí)，在無 X 軸移動(dòng)指令的情況下， X 軸自行往遠(yuǎn)離軋輥的方向移動(dòng)。當(dāng)?shù)毒呓佑|上軋輥輥身尺寸比較小的地方時(shí)， X 軸自行向靠近軋輥的方向移動(dòng)，造成X軸的前后竄動(dòng)。
對該機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn) X 軸在加上“使能”信號的情況下，其交流伺服電機(jī)加上了自鎖力。當(dāng)把 X 軸的位置檢測元件屏蔽掉，改成半閉環(huán)后，再進(jìn)行吃刀加工，發(fā)現(xiàn)之前的 X 軸前后竄動(dòng)現(xiàn)象消失。這種現(xiàn)象有人認(rèn)為是光柵尺出了問題，但通過檢查發(fā)現(xiàn)是 X 軸滾珠絲杠的背帽松了，因此，在軋輥旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軋輥呈橢圓形，當(dāng)?shù)毒呓佑|上軋輥輥身尺寸比較大的地方時(shí)，軋錕輥身對 X軸有一個(gè)"頂"力， X 軸被"頂"向遠(yuǎn)離軋輥直徑的方向，此時(shí) X 軸的移動(dòng)不是機(jī)床數(shù)控指令所致。用于檢測 X 軸位置的光柵尺發(fā)現(xiàn)了在沒有數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令的情況下， X 軸向"+ X "方向（遠(yuǎn)離軋輥輥身的方向）移動(dòng)，而光柵尺的作用是，通過檢測直線軸在數(shù)控指令的作用下移動(dòng)是否準(zhǔn)確，如果移動(dòng)不準(zhǔn)確，通過數(shù)控系統(tǒng)的干預(yù)，使該直線軸定位至準(zhǔn)確位置。因此，當(dāng)?shù)毒呓佑|上軋輥輥身尺寸比較小的地方時(shí)，刀具與軋輥輥身有了一定間隙，通過光柵尺的作用，使 X軸向靠近軋輥直徑的方向移動(dòng)，定位至數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的 X 軸坐標(biāo)位置。這樣軋輥每轉(zhuǎn)一周，在 X 軸沒有數(shù)據(jù)指令移動(dòng)的情況下， X 軸就出現(xiàn)”遠(yuǎn)離軋輥直徑方向”和”靠近軋輥直徑方向”的交替移動(dòng)，故加工軋輥時(shí)， X 軸由于滾珠絲杠背帽的松動(dòng)使其產(chǎn)生來回竄動(dòng)。
數(shù)控機(jī)床的某個(gè)直線軸采用全閉環(huán)時(shí)出現(xiàn)電機(jī)抖動(dòng)、軸震蕩等現(xiàn)象，而將位置檢測元件屏蔽掉，這種不正常的現(xiàn)象消失，一般情況下，首先檢查位置檢測元件，如光柵尺及讀數(shù)頭是否清潔，讀數(shù)頭的安裝位置是否合理，排除掉位置檢測元件不正常的因素。
如果能保證位置檢測元件良好的情況下，一般就是該直線軸的機(jī)械傳動(dòng)鏈出現(xiàn)了問題，此時(shí)應(yīng)檢查直線軸的機(jī)械傳動(dòng)鏈?zhǔn)欠裼胁考蓜?dòng)現(xiàn)象、機(jī)械部件是否有磨損、機(jī)械傳動(dòng)鏈的相關(guān)潤滑是否良好。
