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[摘要]：本文首先叙述了直线光栅尺的基本测量原理和选型原则，并通过一次机床上测量系统的故障报警，描述了故障的现象，分析了故障出现的可能原因，得出故障原因是由于机床上安装的光栅尺损坏所造成。通过对该光栅尺在国内市场上销售、备件、维修情况和该尺的电气技术参数和性能方面的调查和深入了解，成功使用其它型号光栅尺对原尺进行了替代，大大减少了机床故障停机时间，并总结了机床故障排故工作一些方法和经验以及光栅尺在选型、安装、维护等方面的经验。希望本文能对以后的机床维修工作有所启发和帮助。文中若有不妥之处，敬请指正。
[关键词]：机床 光栅尺 故障 分析 替代
中图分类号：TP206+.3 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2013）01- 0271-02
一、直线光栅尺的基本测量原理与选型
直线光栅尺的基本测量原理
将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常稱为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动尺与定尺相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的2路或4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有A相、B相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。
线性光栅尺选型
（1） 准确度等级的选择
数控机床配置线性光栅尺是了提高线性坐标轴的定值精度、重复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的，光栅尺准确度等级有± 0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。数控机床所用光栅尺选择应根据设计精度要求来选择准确度等级，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，它是机床工作精确度的关键环节，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致，以克服由于温度引起的热变形。
另外光栅尺最大移动速度可达120m/min，目前可完全满足数控机床设计要求；单个光栅尺最大长度为3040mm，如控制线性坐标轴大于3040mm时可采用光栅尺对接的方式达到所需长度。
（2） 测量方式的选择
光栅尺的测量方式分增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种，所谓增量式光栅尺就是光栅扫描头通过读出到初始点的相对运动距离而获得位置信息，为了获得绝对位置，这个初始点就要刻到光栅尺的标尺上作为参考标记，所以机床开机时必须回参考点才能进行位置控制。而绝对式光栅尺以不同宽度、不同问距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息，不需要移动坐标轴找参考点位置，绝对位置值从光栅刻线上直接获得。
绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高20％左右，一般机床厂家考虑数控机床的性价比，多选用增量式光栅尺，既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的，机床在停机或故障断电后开机可直接从中断处执行加工程序，不但缩短非加工时间提高生产效率，而且减小零件废品率。
（3） 输出信号的选择
光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差动矩形波信号四种，虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标轴的定位精度、重复定位精度没有影响，但必须与数控机床系统相匹配，如果输出信号的波形与数控机床系统不匹配，导致机床系统无法处理光栅尺的输出信号，反馈信息、补偿误差对机床线性坐标轴全闭环控制无从谈起。在实践中确有输出信号的波形与数控机床系统不匹配的情况，不过处理此情况也有办法，只要在输出信号与机床系统间加装一个转换装置，得到系统所需的信号。
二、 故障与替代实例
1.故障现象
我公司一台高精度数控机床，几年前从德国引进，数控系统为厂家自制。前段时间该设备报修，经现场操作人员介绍得知系统经常出现“LINEBREAK MS. SYSTEM”报警，同时伴有系统强电掉电，机床停机，报警有时可以复位，有时复位不掉，即使在报警复位后不久又出现同样报警。经深入调查得知该故障以前也曾经出现，但频率没有现在频繁，而纵观该故障的频率是处于上升的趋势。
2.故障分析
因该机床为德国引进，随机只带有英文资料。依据系统报警内容并结合机床资料“LINE BREAK”应该指“线路破损”，而“MS. SYSTEM”中“MS.”则为英文缩写，其原意是“MEASUREMENT”，即“测量”。该报警应为“测量系统线路破损”，结合资料得知该测量系统是指液压伺服驱动的进给轴测量回路。
根据上述线索，首先在该测量回路中查找故障。该测量回路的硬件组成为直线光栅尺一只、数据采集板模块一个、线缆接口模块一个、光栅尺线缆一根、采集板线缆一根和电源供给系统。 根据故障现象分析：接触不良、光栅尺安装不规范、光栅尺污染、光栅尺元件不良、线缆接口模块不良、数据采集板模块不良、电源供给系统不稳定、各部分线缆损坏、外部干扰等原因都可以造成系统出现上述故障现象。以下对各种可能的原因逐一进行分析与排除（见下述故障分析表）。
3.故障分析表
通过上述分析，很明确，除光栅尺元件性能不良以外，其它可能导致出现该故障的原因都已排除或暂时不需要考虑。下面所需要做的工作就是将排故重心放在对光栅尺元件性能的检测上。
因为没有该型号光栅尺的专用检测仪器，通过多方查找了解到，该品牌光栅尺在国内无整尺销售，无备件，无维修手段，只有检测专用仪器。通过专用仪器检测，证明光栅尺元件已损坏，性能不能满足系统要求。
解决方案
针对以上情况，制订了使用其它品牌光栅尺对原装尺进行替代的方案。经过查找资料和多方了解，找到国内可方便购买到并且有售后保障支持的某型号光栅尺。该尺在电气参数上完全可实现对原装尺的替代（尺信息与主要参数如下表）。与原装尺的区别只在于安装孔位置和接口信号的定义。而上述两种区别通过快速改造就可以匹配原安装位置和接口定义。
购置替代尺专用无插头式电缆连接线，根据原装尺接口定义的要求，购置符合接口型号的连接插头，对替代尺与机床接口间插头连线重新分配、焊接。
依据机床上原装尺的安装位置和替代尺安装位置，自制替代尺固定裝置。按照光栅尺安装规范将安装至机床上，连接系统，调整零脉冲位置。
经加工实验件证明，更换光栅尺后，机床工作正常，精度符合工艺要求。至此，测量系统故障排除。
经验总结：
【1】故障出现后，应先确定故障产生的各种可能原因，这要求我们在日常的工作中多积累相关经验，掌握故障排除的基本工作方法和对数控机床中各系统工作原理的不断学习和深入了解。故障产生的各种可能原因确定后，要逐一对其进行检查与排除。本着减少故障停机时间的原则，应先排除较易排除的可能故障原因，把存在疑问的可能原因或需较长时间才能排除可能原因放到最后进行排除。
【2】 日常工作中注意多收集与设备相关的各种资料，以备在需要时能急时查阅，指导排故工作。
【3】光栅尺属于精密光学器件，其尺体内多用玻璃材料，排故过程中要对其轻拿轻放，避免人为损坏。拆装过程中要保证清洁的环境状况，避免污染光栅尺。
【4】光栅尺的安装要严格执行安装规范，保证光栅尺安装在正确的安装位置和牢靠的固定。
【5】光栅尺的选型要符合系统电气参数和零件加工工艺要求。
[关键词]：机床 光栅尺 故障 分析 替代
中图分类号：TP206+.3 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2013）01- 0271-02
一、直线光栅尺的基本测量原理与选型
直线光栅尺的基本测量原理
将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常稱为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动尺与定尺相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的2路或4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有A相、B相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。
线性光栅尺选型
（1） 准确度等级的选择
数控机床配置线性光栅尺是了提高线性坐标轴的定值精度、重复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的，光栅尺准确度等级有± 0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。数控机床所用光栅尺选择应根据设计精度要求来选择准确度等级，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，它是机床工作精确度的关键环节，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致，以克服由于温度引起的热变形。
另外光栅尺最大移动速度可达120m/min，目前可完全满足数控机床设计要求；单个光栅尺最大长度为3040mm，如控制线性坐标轴大于3040mm时可采用光栅尺对接的方式达到所需长度。
（2） 测量方式的选择
光栅尺的测量方式分增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种，所谓增量式光栅尺就是光栅扫描头通过读出到初始点的相对运动距离而获得位置信息，为了获得绝对位置，这个初始点就要刻到光栅尺的标尺上作为参考标记，所以机床开机时必须回参考点才能进行位置控制。而绝对式光栅尺以不同宽度、不同问距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息，不需要移动坐标轴找参考点位置，绝对位置值从光栅刻线上直接获得。
绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高20％左右，一般机床厂家考虑数控机床的性价比，多选用增量式光栅尺，既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的，机床在停机或故障断电后开机可直接从中断处执行加工程序，不但缩短非加工时间提高生产效率，而且减小零件废品率。
（3） 输出信号的选择
光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差动矩形波信号四种，虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标轴的定位精度、重复定位精度没有影响，但必须与数控机床系统相匹配，如果输出信号的波形与数控机床系统不匹配，导致机床系统无法处理光栅尺的输出信号，反馈信息、补偿误差对机床线性坐标轴全闭环控制无从谈起。在实践中确有输出信号的波形与数控机床系统不匹配的情况，不过处理此情况也有办法，只要在输出信号与机床系统间加装一个转换装置，得到系统所需的信号。
二、 故障与替代实例
1.故障现象
我公司一台高精度数控机床，几年前从德国引进，数控系统为厂家自制。前段时间该设备报修，经现场操作人员介绍得知系统经常出现“LINEBREAK MS. SYSTEM”报警，同时伴有系统强电掉电，机床停机，报警有时可以复位，有时复位不掉，即使在报警复位后不久又出现同样报警。经深入调查得知该故障以前也曾经出现，但频率没有现在频繁，而纵观该故障的频率是处于上升的趋势。
2.故障分析
因该机床为德国引进，随机只带有英文资料。依据系统报警内容并结合机床资料“LINE BREAK”应该指“线路破损”，而“MS. SYSTEM”中“MS.”则为英文缩写，其原意是“MEASUREMENT”，即“测量”。该报警应为“测量系统线路破损”，结合资料得知该测量系统是指液压伺服驱动的进给轴测量回路。
根据上述线索，首先在该测量回路中查找故障。该测量回路的硬件组成为直线光栅尺一只、数据采集板模块一个、线缆接口模块一个、光栅尺线缆一根、采集板线缆一根和电源供给系统。 根据故障现象分析：接触不良、光栅尺安装不规范、光栅尺污染、光栅尺元件不良、线缆接口模块不良、数据采集板模块不良、电源供给系统不稳定、各部分线缆损坏、外部干扰等原因都可以造成系统出现上述故障现象。以下对各种可能的原因逐一进行分析与排除（见下述故障分析表）。
3.故障分析表
通过上述分析，很明确，除光栅尺元件性能不良以外，其它可能导致出现该故障的原因都已排除或暂时不需要考虑。下面所需要做的工作就是将排故重心放在对光栅尺元件性能的检测上。
因为没有该型号光栅尺的专用检测仪器，通过多方查找了解到，该品牌光栅尺在国内无整尺销售，无备件，无维修手段，只有检测专用仪器。通过专用仪器检测，证明光栅尺元件已损坏，性能不能满足系统要求。
解决方案
针对以上情况，制订了使用其它品牌光栅尺对原装尺进行替代的方案。经过查找资料和多方了解，找到国内可方便购买到并且有售后保障支持的某型号光栅尺。该尺在电气参数上完全可实现对原装尺的替代（尺信息与主要参数如下表）。与原装尺的区别只在于安装孔位置和接口信号的定义。而上述两种区别通过快速改造就可以匹配原安装位置和接口定义。
购置替代尺专用无插头式电缆连接线，根据原装尺接口定义的要求，购置符合接口型号的连接插头，对替代尺与机床接口间插头连线重新分配、焊接。
依据机床上原装尺的安装位置和替代尺安装位置，自制替代尺固定裝置。按照光栅尺安装规范将安装至机床上，连接系统，调整零脉冲位置。
经加工实验件证明，更换光栅尺后，机床工作正常，精度符合工艺要求。至此，测量系统故障排除。
经验总结：
【1】故障出现后，应先确定故障产生的各种可能原因，这要求我们在日常的工作中多积累相关经验，掌握故障排除的基本工作方法和对数控机床中各系统工作原理的不断学习和深入了解。故障产生的各种可能原因确定后，要逐一对其进行检查与排除。本着减少故障停机时间的原则，应先排除较易排除的可能故障原因，把存在疑问的可能原因或需较长时间才能排除可能原因放到最后进行排除。
【2】 日常工作中注意多收集与设备相关的各种资料，以备在需要时能急时查阅，指导排故工作。
【3】光栅尺属于精密光学器件，其尺体内多用玻璃材料，排故过程中要对其轻拿轻放，避免人为损坏。拆装过程中要保证清洁的环境状况，避免污染光栅尺。
【4】光栅尺的安装要严格执行安装规范，保证光栅尺安装在正确的安装位置和牢靠的固定。
【5】光栅尺的选型要符合系统电气参数和零件加工工艺要求。