浅谈光栅尺位置检测系统常见故障分析

一 光栅尺位置检测系统的检测原理结构及特点
     在现代数控机床的发展中，光栅尺位置检测系统越来越成为数控机床上的标准配置。光栅尺位置检测系统以其精准的定位精度和可靠的工作性能，在全闭环数控系统中为获得高精度的加工产品发挥着重要的作用。但在使用过程中也时常会出现各种各样的问题。下面我就以XK系列定梁式数控龙门镗铣床在使用中的一些光栅尺的问题来探讨一下解决办法。
    首先，我们先来简单说一下光栅尺位置检测系统的检测原理结构和特点。简单来说，光栅尺就是通过摩尔条纹原理，经过光电转换以数字方式表示线性位移量的高精度位置传感器。光栅尺检测机床的实际位移，并输出与位移量和位移方向有关的两路信号到前置放大器EXE进行放大,整形和电子细分，最后经长线驱动后输出到CNC形成全闭环控制系统。数控机床上，使用的光栅尺由定尺(标尺光栅)和读数头(指示光栅)组成。一般定尺安装于机床的床身上，属固定不动的，读数头与被检测坐标轴的移动部分连接。当机床坐标轴移动时，造成定尺与读数头之间出现相对运动，利用光的摩尔效应，将位置移动转变成亮暗相间的光的“摩尔条纹”的移动。再由光电经前置放大器EXE转换成数字量的信号。
    在光栅尺中，定尺的测长方向上有两组主光栅线和间隔50MM的参考点标记光栅线。光栅尺的作用有两个方面：当坐标轴移动时，由主光栅线产生相位相差为90°的正弦和余弦的信号，用于判别坐标轴的移动方向和位移量，当坐标轴执行回零点操作时，由参考点标记光栅线产生一个基准信号以确定机床参考点。

二 常见故障的分析过程
   上面说了光栅尺位置检测系统的检测原理结构及特点。下面就来探讨一下在光栅尺遇到故障时的解决方法。
下面所说的光栅尺都是依据德国HEIDENHAIN公司所生产的全封闭式光栅尺，数控系统为SIEMENS公司的840D系列数控系统。
（一）光栅尺安装对机床的影响
    光栅尺是精密检测传感器件，光栅尺的安装要特别仔细要严格按照安装要求进行，不能疏忽大意否则会造成严重后果。光栅尺对安装的要求主要有：壳体直线度的要求；读数头与壳体平行度的要求；读数头与壳体垂直度的要求；整体密封性要求；定尺安装清洁度要求；安装人员的要求等。不严格按照安装要求进行会造成机床抖动；定位精度不合格；光栅尺进灰进油；轻则造成机床故障和加工不合格，重则会造成机床损坏等严重问题。
    例1.一台XK2420×40数控龙门镗铣床X轴在做定位精度补偿时，定位精度和重复定位无法达到要求。开始钳工检查了反向间隙精压压力机械传动等都未发现问题。后检查光栅尺发现读数头安装位置偏差，重新安装后定位精度和重复定位精度合格。
 例2.一台XK2440×80数控龙门镗铣床在安装后开机，系统报警：“Y轴主动编码器错误”，由系统状态显示Y轴现为第二测量系统，知是Y轴光栅尺问题，因是新安装就先检查了各连接头，各处都连接可靠，后拆下读数头查看，发现在安装时由于疏忽在读数头镜片上留有油污，清洗后重新安装，故障报警消失。
（二）光栅尺在使用中的故障
    例1.一台XK2440×80数控龙门镗铣床，机床启动后，系统显示“X轴主动编码器硬件故障”。因在840D系统中测量系统是可以互换的。首先要确定X轴是在第一还是第二测量系统下。通过系统状态显示可知，X轴是在第二测量系统下即X轴主动编码器为X轴光栅尺检测系统。
    接下来可以通过实际情况分析一下可能出现故障的几种情况，通过分析可知原因有以下几点：
    (1).X轴数控装置轴伺服控制板的位置反馈信号接口接触不良或内部电路问题。
    (2).X轴数控装置轴伺服控制板与光栅尺读数头之间的连接电缆有问题。
    (3).X轴光栅尺位置检测系统有问题。
通过以上分析
(1).对于第一个可能我们首先将X轴与Y轴的轴伺服控制板对调(要确定Y轴没有问题，且Y轴与X轴控制板型号一样。且要在断电的情况下进行)重新引导系统上电后，根据情况进行分析。例如重新引导系统后Y轴报相同的警X轴不报，则说明是对调前的X轴伺服控制板有问题；如Y轴不报警X轴依然报相同的报警，则是X轴伺服控制板没有问题，而是X轴控制板之外存在问题。对调检查结果是Y轴不报警X轴依然报警，那就继续查找电缆问题。
伺服控制板常见问题，一般有位置反馈信号接口不良；信号传输电路故障；内部元件损坏等。处理方法一般为了尽快恢复生产是更换同型号伺服控制板，对损坏的控制板，作进一步检测，修好作为备件。
(2).对于第二个可能我们将X轴与Y轴轴伺服控制板与光栅读数头之间连接电缆互换，再次进行分析。分析方法与上面一样，只是将轴伺服控制板换成了连接电缆。实际检查，连接电缆也没问题，继续向下查找。
电缆问题一般有内部断线或接触不良，两头插头接触不良等。实际检测时，如接触不良，可将机床移动一下或是拉动电缆，多试几次。如是断线，或是内部接触不良可更换电缆。要是接头问题，可根据情况进行修复。
(3).前面我们已分析了两种可能，都没发现问题。现在只剩下最后一种可能。关于光栅尺位置检测系统比较复杂，但光栅尺位置检测系统主要的结构是定尺部分和读数头两部分组成。下面我们来确定是定尺有问题还是读数头有问题。首先找一个型号相同的没有问题的读数头，将原读数头换下，重新上电，看是否有相同报警。如不报警则是原换下的读数头有问题，如报警则是定尺有问题。定尺问题一般有进入灰尘、油污粘在光栅刻线上、定尺刻线被外力划伤等。读数头问题一般有粘有灰尘、油污；标尺刻线被划伤；信号接口接触不良；内部电路或元件损坏；安装位置不当等。如是灰尘油污，可用洁净干燥压缩空气进行清洁，同时可用无水乙醇清洗；如是标尺刻线划伤，就要更换新读数头；内部电路问题可进行进一步检测查找，因读数头是精密元器件我们现场大部分没有条件进行检测和修理，如生产紧迫可更换新读数头，损坏读数头可送往生产厂家进行检测修复后作备件。
此次故障经检查，为光栅尺连接处密封条被划伤内部进油，将定尺和读数头都污染了，经过清洗故障排除。
例2.一台XK2420×40数控龙门镗铣床，开机后X轴回参考点，几次都失败。根据光栅尺的结构特点分析可知，回参考点不行，可能有以下问题：
    (1).定尺上参考点刻线问题
    (2).传输线路或接口接触问题
(3).读数头参考点识别标尺问题
(4).读数头内部电路问题
    根据以上分析，我们来一一进行查找问题所在。
(1).对于是定尺上参考点刻线问题。根据光栅尺的结构特点，我们在光栅尺的各位置进行回零对比一下。要是有的地方可以回零，有的地方不能回零，可能是定尺问题，检查定尺是否进入灰尘、油污粘在参考点光栅刻线上或定尺参考点刻线是否被外力划伤等。要是各位置都不能回零，可能是读数头问题或传输线路和接口接触问题。
(2).对于传输线路或接口接触问题。可用元件置换的办法，将X轴的传输电缆与其他轴的对调，确认是否有问题。对于接触不良的问题，可通过扯拉，摇动等使问题完全暴露后再进行检查。
(3).对于读数头参考点识别标尺问题。可将读数头拆下，检查是否粘有灰尘、油污；标尺刻线是否被划伤等。
(4).对于读数头内部电路问题，因读数头是精密元器件我们现场大部分没有条件进行检测和修理，我们可换新的读数头将故障排除后，有问题的读数头可送往生产厂家进行修理。
通过以上的查找方法，很快就查明是读数头的连接电缆插头的插针脱落造成的此次故障，将插针复位后问题解决。
小结：通过以上两个故障的分析排除过程来看，在故障检查之初，要先对故障现象有一个初步的判断，然后根据判断对各种可能情况进行分析，对分析的各种可能情况一步一步的进行检查，最终找到问题所在。而在故障的检查过程中，我们使用了交叉换位和元件置换的方法进行故障的判断。这两种办法在很多的故障排除中是非常有效和快速的好办法。
 
     通过以上问题的分析，我们即了解了光栅尺位置检测系统的检测原理结构及特点，又找到了解决问题的方法。对于我们今后的工作是一个很大的提高，但我们也应认识到我们自己的不足，在今后的工作学习中，要更加刻苦努力的学习新知识，掌握新技术，为今后更好的工作打好坚实的基础。
    以上是我在工作中所做的一点总结，错误和不足之处，望多加批评和指教。