CN105890521A - 光栅尺可靠性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅尺可靠性试验装置及方法，克服了目前光栅尺可靠性试验装置和检测系统不能够模拟实际工况的问题，试验装置由模拟工况装置、光栅尺安装装置和检测控制系统组成；模拟工况装置包括温湿度试验箱、光栅尺驱动系统、振动加载台、油雾控制站；光栅尺安装装置包括光栅尺安装平台、开放式及封闭式光栅尺主尺、开放式及封闭式光栅尺读数头；检测控制系统包括激光干涉仪、光栅尺检测仪和控制柜；试验方法包括以下步骤：1、性能参数输入工控机软件；2、安装受试光栅尺；3、进行温度和湿度模拟加载、振动加载、供电电压变化、油雾对光栅尺可靠性影响试验；4、检测受试光栅尺精度；5、分析记录试验数据。

Description

光栅尺可靠性试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于机械领域的试验装置，更确切地说，本发明涉及一种能够对光栅尺施加振动、温度、湿度、电压、油雾负载的可靠性试验装置及其试验方法。

背景技术

光栅尺是利用光栅光学原理工作的测量装置，其具有检测范围大、精度高和响应速度快等特点，广泛用于数控机床及其它工业设备。

目前中高档数控机床普遍使用绝对式光栅尺作为全闭环位置信息反馈部件,光栅尺可靠性直接关系到数控机床的性能、精度和整机可靠性。在实际应用中，光栅尺常受使用环境温度、湿度、振动以及油雾等外界干扰而引起故障。光栅尺的可靠性试验及性能参数的检测能够为光栅尺的故障分析、结构优化设计、制造过程可靠性保证等提供关健的基础数据。因此，研究开发光栅尺可靠性试验装置和检测系统具有重要的意义。

国内目前针对光栅尺进行可靠性试验的研究较少，仅有一些功能简单、不具有模拟实际工况加载的试验装置，缺乏对光栅尺在模拟实际工况下进行可靠性试验及性能的检测。因此开发一种具有模拟实际工况加载的光栅尺可靠性试验装置及其重要，同时提出一套完整的光栅尺可靠性试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了目前光栅尺可靠性试验装置和检测系统不能够模拟实际工况的问题，提出了一种能对光栅尺施加振动、温度、湿度、电压、油雾等负载的可靠性试验装置，并提出了一套光栅尺可靠性试验的方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种光栅尺可靠性试验装置，由模拟工况装置、光栅尺安装装置以及检测控制系统组成；

所述的模拟工况装置包括温湿度试验箱1、光栅尺驱动系统2、设有振动加载台控制器的振动加载台3、均设置于温湿度试验箱1外部的光栅尺电源5、油雾控制站8；

所述振动加载台3安装在温湿度试验箱1中的下层空间；所述的光栅尺驱动系统2置于温湿度试验箱1中，并放置于振动加载台3的上端面；

所述的光栅尺安装装置包括光栅尺安装平台35、光栅尺读数头安装支架14、读数头支架调节旋钮30、开放式光栅尺主尺安装板15、开放式光栅尺主尺27、开放式光栅尺读数头固定支架28、开放式光栅尺读数头29、封闭式光栅尺主尺安装板31、封闭式光栅尺主尺13、封闭式光栅尺读数头固定支架34、封闭式光栅尺读数头33；

开放式光栅尺主尺27使用开放式光栅尺主尺安装卡具32安装于开放式光栅尺主尺安装板15上，开放式光栅尺主尺安装板15固定在光栅尺安装平台35上；

开放式光栅尺读数头29安装于开放式光栅尺读数头固定支架28上，光栅尺读数头固定支架28通过读数头支架调节旋钮30固定在光栅尺读数头安装支架14上；

封闭式光栅尺主尺13安装于封闭式光栅尺主尺安装板31上，封闭式光栅尺主尺安装板31固定在光栅尺安装平台15上；

封闭式光栅尺读数头33安装于封闭式光栅尺读数头固定支架34，封闭式光栅尺读数头固定支架34通过读数头支架调节旋钮30固定在光栅尺读数头安装支架14上；

所述的检测控制系统包括激光干涉仪4、光栅尺检测仪6和控制柜7；

所述激光干涉仪4位于温湿度试验箱1外部，激光干涉仪的激光束方向与受试光栅尺往复运动方向在同一直线上；

控制柜7中包含有工控机、可编程控制器、温湿度试验箱控制器、振动加载台控制器、伺服驱动器和油雾控制器；

所述光栅尺检测仪6读取光栅尺的读数信号，将读数信号传送到工控机中；

所述的工控机将试验的实时状态通过显示器反馈给使用者，工控机发送指令控制可编程控制器，实现对振动加载台控制器、伺服驱动器、温湿度试验箱控制器、油雾控制器、光栅尺电源的间接控制。

技术方案中所述封闭式光栅尺13设有两条；

开放式光栅尺主尺安装板15设有三块；

开放式光栅尺主尺27设有三条；

开放式光栅尺读数头固定支架28设有三个；

开放式光栅尺读数头29设有三个；

开放式光栅尺主尺安装卡具32设有三组；

封闭式光栅尺主尺安装板31设有两块；

封闭式光栅尺读数头33设有两个；

封闭式光栅尺读数头固定支架34设有两个；

读数头支架调整旋钮30设有十个。

技术方案中所述光栅尺驱动系统2包括直线运动滑台12、光栅尺驱动系统底板18、万向联轴器19、伺服电机20、丝杆21、导轨副承导件22、螺旋副23、导轨副运动件24、传动轴26、伺服电机安装板37；直线运动滑台12固定在螺旋副23上；

伺服电机20通过万向联轴器19与传动轴26连接，传动轴末端与丝杆21相连，在螺旋副23的作用下，导轨副运动件24在导轨副承导件22上滑动，驱动直线运动滑台12上的受试光栅尺做直线往复运动；

光栅尺驱动系统底板18支撑起整套运动系统，起到固定支撑、便于整体搬运的作用；所述的伺服电机20通过伺服电机安装板37安装于试验箱后壳体。

技术方案中所述可编程控制器与振动加载台控制器连接，控制振动加载台3的运动，使振动加载台3上的受试光栅尺按照给定规律振动；

可编程控制器下行方向与伺服驱动器连接，实现对伺服电机20的控制，通过丝杆传动驱动直线运动滑台12按给定的运动函数做直线往复运动，使直线运动滑台12上部安装的光栅尺安装平台35及平台上的受试光栅尺服从给定的运动规律进行运动。

技术方案中所述的油雾控制站8，采用喷油的方式使油雾充满整个油雾防护罩38，实现对油雾防护罩38内的光栅尺受到油雾的影响，模拟光栅尺在加工过程中受到油雾污染的情况；

油雾控制站8设置在温湿度试验箱外，所述油雾防护罩38置于温湿度试验箱1中，通过管路连接油雾防护罩38内的油雾喷头10；油雾防护罩38内的油雾通过油雾回收管道接头9经管路回流到油雾控制站8；

所述振动加载台3的振动加载台上平台36表面安装加速度传感器，检测试验系统中的振动值；所述温湿度试验箱中设有温湿度传感器，采集受试光栅尺的温湿度环境参数；所述油雾防护罩38中设有油雾传感器，实现对受试光栅尺油雾浓度的检测；

一种光栅尺可靠性试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：确定受试光栅尺的类型和条数，确定受试光栅尺运动的函数规律、模拟加载工况的要求和需要检测的性能参数，并输入工控机软件中；

步骤2：根据受试光栅尺的型号，在通用安装板上安装受试光栅尺；

步骤3：根据受试光栅尺需要模拟加载工况的要求确定参数范围，进行温度和湿度模拟加载试验、振动加载试验、受试光栅尺供电电压变化试验以及油雾对受试光栅尺可靠性影响试验；根据受试光栅尺模拟加载工况的要求，确定可靠性试验的总试验时间、试验流程以及流程中每步需要设定的试验参数和试验时间；

步骤4：根据经济条件选择检测方式：若选用基于激光干涉仪的高精度检测法，安装并调整激光干涉仪的位置，设置激光干涉仪的参数，调整激光干涉仪4的位置，使之能够准确检测直线运动滑台12的位移，从而对受试光栅尺的精度进行检测；

若选择中等精度的基准光栅尺检测法，在平台上安装可靠性和精度较高的光栅尺，作为标准光栅尺检测另外四条光栅尺的精度；

步骤5：在工控机软件中对试验参数与精度进行显示，分析精度，记录试验数据；储存试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据信息；

技术方案中所述的温度和湿度模拟加载试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺温湿度试验标准，确定试验的温度与湿度的范围、变化的速率以及对应的试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验温湿度加载方案，并输入工控机软件中；

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验温湿度加载方案进行加载试验；

3)工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。

技术方案中所述的振动加载试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺的振动试验标准，确定振动加载试验中X、Y、Z三个方向每个方向的振动均值、幅值、频率以及试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验振动加载方案，并输入工控机软件中。

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验振动加载方案进行加载试验；

3)在工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。

技术方案中所述受试光栅尺供电电压变化试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的供电电压，确定电压加载试验中供电电压幅值变化范围、电压变化率、电压干扰值以及对应的试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验供电电压加载方案，并输入工控机软件中；

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验供电电压加载方案进行加载试验；

3)在工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。

技术方案中所述油雾对受试光栅尺可靠性影响试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的油雾环境，确定油雾加载试验中油雾的浓度、喷射速率、油滴大小以及对应的试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验油雾加载方案，并输入工控机软件中；

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；盖上光栅尺驱动系统2上方的保护罩，按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验油雾加载方案进行加载试验；

3)在工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的光栅尺可靠性试验装置，采用温湿度试验箱和振动加载台对光栅尺进行模拟环境的温度、湿度和振动加载的可靠性试验，采用油雾控制站模拟光栅尺在切削液和油污环境下的工况，使用可调节的供电电源测试供电电压对受试光栅尺测量精度的影响程度。通过模拟光栅尺实际工况加载的可靠性试验，可以较全面地暴露受试光栅尺薄弱环节和激发其潜在故障，为光栅尺的可靠性评估和提升以及故障分析提供详实的基础数据。

2.本发明所述的实验装置参数可根据试验需求进行调整，包括调节振动加载台的振动频率、幅值、方向以及加载时间等，调节温湿度试验箱的试验温度和温度变化率、湿度和湿度变化率，调节供电电源的电压值及扰动值，调节油雾的油雾浓度，调节直线运动台伺服电机的运动速度、加速度以及运动规律。

3.本发明所述的光栅尺可靠性试验装置适用于不同型号的光栅尺，具有通用性和灵活性。试验装置为开放式和封闭式的光栅尺均提供了通用安装板，也为不同类型光栅尺的读数头提供了安装架。使用者可结合受试光栅尺的特点进行直接使用安装板或改造安装板进行安装。

4.本发明包括高精度与中等精度两种检测模式。高精度模式采用激光干涉仪光程差原理对直线运动台的位移进行实时检测，消除了激光受到试验箱内温度、湿度以及油雾对检测结果的影响，能够更精确地测出直线运动台的实际位移量。中等精度模式采用一条高精度、高可靠性、密封等级高的光栅尺作为基准光栅尺。每种模式检测结果与光栅尺的读数进行比对，均可得出光栅尺的读数误差。本试验方法为光栅尺的精度评判提供了有效依据。

5.本发明所述的光栅尺可靠性试验方法是一套完整的光栅尺可靠性试验方法，首先将受试光栅尺安装在光栅尺可靠性试验装置上，然后根据受试光栅尺需要模拟的实际工况，可以进行温度和湿度模拟加载试验、振动加载试验、受试光栅尺供电电压变化对测量精度影响的试验、油雾对光栅尺影响试验等。根据试验要求确定模拟值与工作时间等参数。不仅能够实现对单一变量的控制，也可以实现多因素综合影响试验，使得光栅尺可靠性试验更具有针对性，提高试验的可信度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的光栅尺可靠性试验装置整体的轴测投影图；

图2为本发明所述的光栅尺可靠性试验装置主试验平台的右视图；

图3为本发明所述的光栅尺可靠性试验装置中直线运动机构结构原理图；

图4为本发明所述的光栅尺可靠性试验装置中光栅尺安装平台轴测投影图；

图5为本发明所述的光栅尺可靠性试验装置中检测和控制系统的原理框图；

图6为本发明所述的光栅尺可靠性试验方法的实施步骤流程图。

图中：

1.温湿度试验箱，2.光栅尺驱动系统，3.振动加载台，4.激光干涉仪，5.光栅尺电源，6.光栅尺检测仪，7.控制柜，8.油雾控制站，9.油雾回收管道接头，10.油雾喷头，11.激光干涉仪反射镜，12.直线运动滑台，13.封闭式光栅尺主尺，14.光栅尺读数头安装支架，15.开放式光栅尺主尺安装板，16.传感器，17.传动机构保护罩，18.光栅尺驱动系统底板，19.万向联轴器，20.伺服电机，21.丝杆，22.导轨副承导件，23.螺旋副，24.导轨副运动件，25.支撑底座，26.传动轴，27.开放式光栅尺主尺，28.开放式光栅尺读数头固定支架，29.开放式光栅尺读数头，30.读数头支架调整旋钮，31.封闭式光栅尺主尺安装板，32.开放式光栅尺主尺安装卡具，33.封闭式光栅尺读数头，34.封闭式光栅尺读数头固定支架，35.光栅尺安装平台，36.振动加载台上平台，37.伺服电机安装板，38.油雾防护罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的光栅尺可靠性试验装置及方法主要由两大部分组成，即光栅尺可靠性试验装置部分和光栅尺可靠性试验方法部分。

一、光栅尺可靠性试验装置部分

参阅图1，所述的光栅尺可靠性试验装置部分由模拟工况装置、光栅尺安装装置以及检测控制系统组成。

1.模拟工况装置

参阅图1，所述的模拟工况装置包括温湿度试验箱1、光栅尺驱动系统2、振动加载台3、光栅尺电源5、油雾控制站8。

参阅图2，图3与图4，光栅尺驱动系统2包括直线运动滑台12、传动机构保护罩17、光栅尺驱动系统底板18、万向联轴器19、伺服电机20、丝杆21、导轨副承导件22、螺旋副23、导轨副运动件24、支撑底座25、传动轴26、伺服电机安装板37。实现对实际工况中光栅尺的运动、温湿度、光栅尺受到的振动、电源电压的波动以及油雾环境进行模拟的目的。

参阅图3，直线运动机构为受试光栅尺提供往复直线运动的驱动力，直线运动机构由万向联轴器19、伺服电机20、丝杆21、导轨副承导件22、螺旋副23、导轨副运动件24、传动轴26组成。伺服电机20的动力经过万向联轴器19传递到传动轴26，传动轴26带动丝杆21旋转从而驱动螺旋副23做直线运动，使得固定在螺旋副上的直线运动滑台12做直线往复运动。

所述的直线运动机构只有一个自由度，由伺服电机20通过万向联轴器19与传动轴26连接，传动轴末端与丝杆21相连，在螺旋副23的作用下，导轨副运动件24在导轨副承导件22上滑动，间接驱动直线运动滑台12上受试光栅尺做直线往复运动；为了减少油雾与温湿度等环境对丝杆等传动部件的影响，在直线运动滑台12底部安装传动机构保护罩17，如图2所示；光栅尺驱动系统底板18支撑起整套运动系统，起到固定支撑、便于整体搬运的作用；所述的伺服电机20通过伺服电机安装板37安装于试验箱后壳体；万向联轴器19可以补偿丝杆轴与电机轴在振动台垂直反向的轴线偏移，从而缓解试验台振动对伺服电机传动过程的影响。

所述的温湿度试验箱1(本发明以STH-020U型温湿度试验箱为例，采用全封闭压缩机，其温度可调范围为-70℃～130℃,湿度可调范围为20～98％RH,最大功率为9kw)可以对受试光栅尺进行模拟环境的温度和湿度的可靠性试验，该温湿度试验箱带有温湿度试验箱控制器；

所述的振动加载台3(本发明以东菱ES-2-150型振动加载台为例，其振动频率调节范围为5～2500HZ，最大速度为2m/s)，振动加载台3可以实现对受试光栅尺进行在不同频率下，振幅可调的振动加载可靠性试验，该振动加载台带有振动加载台控制器，振动加载台3安装在温湿度试验箱1中的下层空间，振动加载台上平台36穿过温湿度试验箱1的底部面板。

振动加载台上平台36是振动加载台3最顶部的结构，将待施加振动的光栅尺驱动系统2用磁铁吸附在振动加载台上平台36上后，光栅尺驱动系统2的所有结构以及受试光栅尺便能按照给定的要求振动。

所述的光栅尺电源5用于给受试光栅尺提供电源，为了测试供电电压变化对受试光栅尺测量精度的影响，光栅尺电源5可以根据可靠性试验过程中的需要，由上位机改变其对受试光栅尺的供电电压值；

参阅图1，所述的油雾控制站8，采用喷油的方式使油雾充满整个油雾防护罩38，实现对油雾防护罩38内的光栅尺受到油雾的影响，模拟光栅尺在加工过程中受到油雾污染的情况；油雾控制站8放置在温湿度试验箱外，油雾防护罩38置于温湿度试验箱1中，通过管路连接油雾防护罩38内的油雾喷头10。若只进行温湿度及振动加载试验，则不需要安装油雾防护罩38。油雾防护罩38内的油雾通过油雾回收管道接头9经管路回流到油雾控制站8。

2.光栅尺安装装置

参阅图2与图4，所述的光栅尺安装装置包含封闭式光栅尺主尺13(两条)、光栅尺读数头安装支架14、开放式光栅尺主尺安装板15(三块)、开放式光栅尺主尺27(三条)、开放式光栅尺读数头固定支架28(三个)、开放式光栅尺读数头29(三个)、开放式光栅尺主尺安装卡具32(三组)、封闭式光栅尺主尺安装板31(两块)、封闭式光栅尺读数头33(两个)、封闭式光栅尺读数头固定支架34(两个)、读数头支架调整旋钮30(10个)、光栅尺安装平台35。

由于在实际工况中，光栅尺的安装位置分为水平安装与垂直安装两种。本光栅尺安装装置的光栅尺安装位置位于光栅尺安装平台35的侧面与上表面。所述的光栅尺安装装置能够对多条光栅尺进行可靠性试验，为了便于叙述，对于开放式光栅尺本发明专利采用三条光栅尺进行叙述，封闭式光栅尺本发明专利采用两条光栅进行叙述；每个开放式光栅尺主尺对应一块开放式光栅尺主尺安装板15，开放式光栅尺读数头29对应一个开放式光栅尺读数头固定支架28。每个封闭式光栅尺主尺13分别对应一块封闭式光栅尺主尺安装板31，封闭式光栅尺读数头33对应封闭式光栅尺读数头固定支架34。

本专利所述的光栅尺安装装置可对开放式及封闭式的光栅尺进行安装。

安装开放式光栅尺时只需要将主尺安装在开放式光栅尺主尺安装板15上表面，读数头安装在开放式光栅尺读数头安装支架28上便可。开放式光栅尺读数头安装支架28与光栅尺读数头安装支架14通过读数头支架调整旋钮30调整到恰当位置。光栅尺读数头安装支架14安装在传动机构保护罩17的顶部平台上。

由于不同厂家，不同型号的主尺与读数头有不同规格的螺栓尺寸规格，本装置中设计了通用的开放式光栅尺主尺安装板15，根据开放式光栅尺主尺安装卡具32的类型可在开放式光栅尺主尺安装板15上钻对应孔距与孔径的螺纹孔，将开放式光栅尺主尺27安装至开放式光栅尺主尺安装板15上。随后将开放式光栅尺主尺安装板15通过螺丝固定到光栅尺安装平台35。

开放式光栅尺读数头29通过螺丝安装到开放式光栅尺读数头固定支架28上，用千分尺调整校正并调整适当位置后，将光栅尺读数头安装板28通过读数头支架调整旋钮30，锁定在光栅尺读数头安装支架14的正确位置。

光栅尺安装平台35上表面可安装三条不同类型的开放式光栅尺。

试验台上有两个封闭式光栅尺安装部位，分别位于光栅尺安装平台35的两侧。

封闭式光栅尺主尺安装板31根据不同型号规格的封闭式光栅尺预先钻螺纹孔，使用螺丝将封闭式光栅尺32安装在封闭式光栅尺主尺安装板31上，再将封闭式光栅尺主尺安装板31用螺丝安装在光栅尺安装平台35的侧面。

封闭式光栅尺读数头33同样用螺栓连接至封闭式光栅尺读数头固定支架34，并将其通过读数头支架调整旋钮30安装到光栅尺读数头安装支架14，并利调整适当位置后，用千分尺调整校正，锁定光栅尺读数头安装支架14的恰当位置上。光栅尺安装平台35两侧可分别安装一条封闭式光栅尺。

3.检测控制系统

所述的检测控制系统包括：激光干涉仪4、光栅尺检测仪6、控制柜7、传感器16。

光栅尺检测仪6属于独立检测部件，可放置于控制柜7顶端。每个光栅尺读数头采集到的信号通过RS232连接到光栅尺检测仪6，其可以数字处理并读取光栅尺的读数信号，并将所有光栅尺的读数信号传送到工控机中。

控制柜7中包含有工控机、可编程控制器、温湿度试验箱控制器、振动加载台控制器、伺服驱动器以及油雾控制器。

控制柜7放置在与温湿度试验箱1相距半米处。

光栅尺电源5位于温湿度试验箱1外部，放置于控制柜7顶端。

油雾控制器是控制油雾控制站8的电路方面控制器。油雾控制站8放置在控制柜7右端，相距半米以上。

参照图5，所述的工控机作为控制的媒介，接收来自键盘和鼠标的输入数据，并将试验的实时状态通过显示器反馈给使用者，同时工控机发送指令控制可编程控制器，实现对振动加载台控制器、伺服驱动器、温湿度试验箱控制器、油雾控制器、光栅尺电源的间接控制。

可编程控制器与振动加载台控制器连接，控制振动加载台3的运动，从而使振动加载台3上的受试光栅尺按照给定规律振动。

可编程控制器下行方向与伺服驱动器连接，实现对伺服电机20的控制，通过丝杆传动驱动直线运动滑台12按给定的运动函数做直线往复运动，从而使直线运动滑台12上部安装的光栅尺安装平台35及平台上的受试光栅尺服从给定的运动规律进行运动。

同时，可编程控制器分别控制温湿度试验箱控制器、油雾控制器、光栅尺电源5，控制温湿度试验箱1及光栅尺供电电压，最终实现对受试光栅尺温湿度、油雾环境及供电电压的加载。

传感器16包括加速度传感器、温湿度传感器、油雾传感器。

振动加载台3的振动加载台上平台36表面安装加速度传感器，以检测试验系统中的振动值。温湿度试验箱中带有温湿度传感器，相距受试光栅尺20cm处固定，以便采集受试光栅尺的温湿度环境参数。在油雾防护罩38中安装有油雾传感器从而实现对受试光栅尺油雾浓度的检测。

激光干涉仪4对受试光栅尺性能与精度参数进行检测。在精度要求不高的场合可在光栅尺安装平台35上安装一条精度高、可靠性好的基准光栅尺作为参照，测量受试光栅尺的精度值。

基准光栅尺是精度与可靠性非常高的可以用来检测其他的光栅尺；受试光栅尺是待进行可靠性试验的光栅尺；开放式光栅尺的主尺和读数头是分开的；封闭式光栅尺的主尺和读数头是安装配合在一起的；

为了获取直线运动滑台12的精确位移值，在温湿度试验箱1外部安装一台激光干涉仪4。激光穿过试验箱箱体的观察玻璃，经过相同的湿度和油雾环境，其出程和回程都经过同一介质，不影响光程差，因此可以认为其测量值近乎等于真实值。基准光栅尺与激光干涉仪的检测信号通过RS232C或USB进行串口通讯，数据值传输到上位机中，与受试光栅尺读取的测量值进行比对，可得到受试光栅尺的精度与误差。

工控机软件安装在工控机中，使用可视化编程软件Labview编制。在控制界面上设定可靠性试验的温度、湿度、振动的幅值频率、油雾浓度等参数之后，与可编程控制器通过RS232C进行串口通讯，按照设定的参数调节温湿度、振动和油雾浓度；同时控制界面上也可以设定直线运动滑台12的运动位移函数和光栅尺电源5提供给受试光栅尺的电压值等参数。在试验过程中，各条受试光栅尺的读数信号反馈到工控机，与激光干涉仪4或基准光栅尺的参数比较后，工控机软件便可实时显示、记录不同工况的读数数据并求出读数误差。

二、光栅尺可靠性试验方法部分

本发明专利针对受试光栅尺提出了一套可靠性试验方法，可靠性试验是在前面所述的光栅尺可靠性试验装置的基础上进行的，光栅尺可靠性试验装置能够安装不同型号的受试光栅尺，同时能够对多条受试光栅尺同时进行可靠性试验。依据受试光栅尺需要模拟的实际工况进行温度和湿度模拟加载试验、振动加载试验、受试光栅尺供电电压变化试验、油雾影响试验等。

参照图6，光栅尺可靠性试验方法的具体流程如下：

1.性能参数输入工控机软件：确定受试光栅尺的类型和条数，确定受试光栅尺运动的函数规律、模拟加载工况的要求和需要检测的性能参数，并输入上位机软件中；

2.安装受试光栅尺：根据受试光栅尺的型号，参阅图4，在通用安装板上安装受试光栅尺或根据光栅尺的安装方式钻螺纹孔后安装，并用千分表等检测仪器校验光栅尺的安装是否达到安装要求；

3.进行温度和湿度模拟加载、振动加载、供电电压变化、油雾对光栅尺可靠性影响试验：根据受试光栅尺需要模拟加载工况的要求确定参数范围，进行温度和湿度模拟加载试验、振动加载试验、受试光栅尺供电电压变化试验以及油雾对受试光栅尺可靠性影响试验；根据受试光栅尺模拟加载工况的要求，确定可靠性试验的总试验时间、试验流程以及流程中每步需要设定的试验参数和试验时间。

4.检测受试光栅尺精度：根据经济条件选择检测方式。若选用基于激光干涉仪的高精度检测法，则安装并调整激光干涉仪的位置，设置激光干涉仪的参数。从而对受试光栅尺的精度进行检测。若选择中等精度的基准光栅尺检测法，则在平台上安装可靠性和精度较高的光栅尺，作为标尺光栅尺检测另外四条光栅尺的精度。

5.分析记录试验数据：在上位机系统中对试验参数与精度进行显示，分析精度，记录试验数据。

以下将分别介绍每种试验的实施步骤：

4.1温度和湿度模拟加载试验

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的工况或国标中的温湿度试验标准，确定温度和湿度模拟加载试验温度与湿度的范围、温度与湿度变化的速率以及对应的试验时间。制定周期性的光栅尺可靠性试验温湿度加载方案。

2)将光栅尺可靠性试验温湿度加载方案的具体参数输入上位机软件中；

3)检查光栅尺试验装置的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺。调整激光双频干涉仪的位置，使之能够准确检测直线运动滑台12的位置。启动伺服电机20，使直线运动滑台12工作，并记录光栅尺在未载荷条件下的检测数据。工作1分钟后，启动温湿度试验箱1，按照制定的加载温湿度加载方案进行加载试验；

4)在上位机软件的人界交互界面中实时显示试验数据，采集的试验数据包括在试验过程中的温度值、湿度值以及受试光栅尺的读数值，在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机。根据检测信号，对受试光栅尺或试验装置进行检查，分析产生信号异常突变的原因或者可能存在的故障；在上位机软件中将各条光栅尺检测结果与激光干涉仪4的值进行比对，得出每条光栅尺的精确误差值；与基准光栅尺的读数进行比对，得出每条光栅尺的中等精度误差值。每次试验完毕后对每组试验数据，包括试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等，将这些数据进行分类整理和存储，以便后期的分析。

4.2振动加载试验

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的工况或国标中的振动试验标准，确定振动加载试验中X、Y、Z三个方向每个方向的振动均值、幅值、频率以及试验时间。制定周期性的光栅尺可靠性试验振动加载方案。

2)将光栅尺可靠性试验振动加载方案的具体参数输入上位机软件中；

3)检查光栅尺试验装置的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺。调整激光干涉仪的位置，使之能够准确检测直线运动滑台12的位置。启动伺服电机20，使直线运动滑台12工作，并记录光栅尺在未加载状态下的检测数据。工作1分钟后，启动振动加载台3，按照制定的加载振动加载方案进行加载试验；

4)在上位机软件的人界交互界面中实时显示试验数据，采集的试验数据包括在试验过程中的各方向的振动幅值、相位以及受试光栅尺的读数值，在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机。根据检测信号，对受试光栅尺或试验装置进行检查，分析产生信号异常突变的原因或者可能存在的故障；在上位机软件中将各条光栅尺检测结果与激光干涉仪4的值进行比对，得出每条光栅尺的精确误差值；与基准光栅尺的读数进行比对，得出每条光栅尺的中等精度误差值。每次试验完毕后对每组试验数据，包括试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等，将这些数据进行分类整理和存储，以便后期的分析。

4.3受试光栅尺供电电压变化对测量精度影响的试验

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的供电电压，确定电压加载试验中供电电压幅值变化范围、电压变化率、电压干扰值以及对应的试验时间。制定周期性的光栅尺可靠性试验振动加载方案。

2)将光栅尺可靠性试验供电电压加载方案的具体参数输入上位机软件中；

3)检查光栅尺试验装置的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺。调整激光干涉仪的位置，使之能够准确检测直线运动滑台12的位置。启动伺服电机20，使直线运动滑台12工作，并记录光栅尺在未加载状态下的检测数据。工作1分钟后，改变除基准光栅尺外的受试光栅尺供电电源的输出电压值，按照制定的供电电压加载方案进行加载试验；

4)在上位机软件的人界交互界面中实时显示试验数据，采集的试验数据包括在试验过程中的每条光栅尺供电电压的幅值，电压变化率、电压干扰值以及受试光栅尺的读数值，在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机。根据检测信号，对受试光栅尺或试验装置进行检查，分析产生信号异常突变的原因或者可能存在的故障；在上位机中将各条光栅尺检测结果与激光干涉仪4的值进行比对，得出每条光栅尺的精确误差值；与基准光栅尺的读数进行比对，得出每条光栅尺的中等精度误差值。每次试验完毕后对每组试验数据，包括试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等，将这些数据进行分类整理和存储，以便后期的分析。

4.4油雾对受试光栅尺可靠性的影响

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的油雾环境，确定油雾加载试验中油雾的浓度、喷射速率、油滴大小以及对应的试验时间。制定周期性的光栅尺可靠性试验油雾加载方案。

2)将光栅尺可靠性试验油雾加载方案的具体参数输入上位机软件中；

3)检查光栅尺试验装置的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺。调整激光干涉仪的位置，使之能够准确检测直线运动滑台12的位置。启动伺服电机20，使直线运动滑台12工作，并记录光栅尺在未加载状态下的检测数据。工作1分钟后，盖上光栅尺驱动系统2上方的保护罩，改变除基准光栅尺外的受试光栅尺供电电源的输出电压值，按照制定的油雾加载方案进行加载试验；

4)在上位机软件的人界交互界面中实时显示试验数据，采集的试验数据包括在试验过程中的油雾浓度以及受试光栅尺的读数值，在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机。根据检测信号，对受试光栅尺或试验装置进行检查，分析产生信号异常突变的原因或者可能存在的故障；在上位机软件中将各条光栅尺检测结果与激光干涉仪4的值进行比对，得出每条光栅尺的精确误差值；与基准光栅尺的读数进行比对，得出每条光栅尺的中等精度误差值。每次试验完毕后对每组试验数据，包括试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等，将这些数据进行分类整理和存储，以便后期的分析。

4.5光栅尺可靠性试验根据试验模拟工况的需求，可以同时进行温度和湿度模拟加载试验(4.1)、振动加载试验(4.2)和受试光栅尺供电电压变化对测量精度影响试验(4.3)，油雾对受试光栅尺可靠性的影响试验(4.4)，也可以按照一定的顺序分别进行这三种试验，或混合进行以上多项试验。试验的顺序和时间可以根据光栅尺可靠性试验的要求而改变。

本发明中所述的实例是为了便于该领域技术人员能够理解和应用本发明，本发明只是一种优化的实例，或者说是一种较佳的具体技术方案。如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下，做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光栅尺可靠性试验装置，由模拟工况装置、光栅尺安装装置以及检测控制系统组成；其特征在于：

所述的模拟工况装置包括温湿度试验箱(1)、光栅尺驱动系统(2)、设有振动加载台控制器的振动加载台(3)、均设置于温湿度试验箱(1)外部的光栅尺电源(5)、油雾控制站(8)；

所述振动加载台(3)安装在温湿度试验箱(1)中的下层空间；所述的光栅尺驱动系统(2)置于温湿度试验箱(1中，并放置于振动加载台(3)的上端面；

所述的光栅尺安装装置包括光栅尺安装平台(35)、光栅尺读数头安装支架(14)、读数头支架调节旋钮(30)、开放式光栅尺主尺安装板(15)、开放式光栅尺主尺(27)、开放式光栅尺读数头固定支架(28、开放式光栅尺读数头(29、封闭式光栅尺主尺安装板(31、封闭式光栅尺主尺(13)、封闭式光栅尺读数头固定支架(34)、封闭式光栅尺读数头(33)；

开放式光栅尺主尺(27)使用开放式光栅尺主尺安装卡具(32)安装于开放式光栅尺主尺安装板(15)上，开放式光栅尺主尺安装板(15)固定在光栅尺安装平台(35)上；

开放式光栅尺读数头(29)安装于开放式光栅尺读数头固定支架(28)上，光栅尺读数头固定支架(28)通过读数头支架调节旋钮(30)固定在光栅尺读数头安装支架(14)上；

封闭式光栅尺主尺(13)安装于封闭式光栅尺主尺安装板(31)上，封闭式光栅尺主尺安装板(31)固定在光栅尺安装平台(15)上；

封闭式光栅尺读数头(33)安装于封闭式光栅尺读数头固定支架(34)，封闭式光栅尺读数头固定支架(34)通过读数头支架调节旋钮(30)固定在光栅尺读数头安装支架(14)上；

所述的检测控制系统包括激光干涉仪(4)、光栅尺检测仪(6)和控制柜(7)；

所述激光干涉仪(4)位于温湿度试验箱(1)外部，激光干涉仪的激光束方向与受试光栅尺往复运动方向在同一直线上；

控制柜(7)中包含有工控机、可编程控制器、温湿度试验箱控制器、振动加载台控制器、伺服驱动器和油雾控制器；

所述光栅尺检测仪(6)读取光栅尺的读数信号，将读数信号传送到工控机中；

所述的工控机将试验的实时状态通过显示器反馈给使用者，工控机发送指令控制可编程控制器，实现对振动加载台控制器、伺服驱动器、温湿度试验箱控制器、油雾控制器、光栅尺电源的控制。

2.根据权利要求1所述的一种光栅尺可靠性试验装置，其特征在于：

所述封闭式光栅尺(13)设有两条；

开放式光栅尺主尺安装板(15)设有三块；

开放式光栅尺主尺(27)设有三条；

开放式光栅尺读数头固定支架(28)设有三个；

开放式光栅尺读数头(29)设有三个；

开放式光栅尺主尺安装卡具(32)设有三组；

封闭式光栅尺主尺安装板(31)设有两块；

封闭式光栅尺读数头(33)设有两个；

封闭式光栅尺读数头固定支架(34)设有两个；

读数头支架调整旋钮(30)设有十个。

3.根据权利要求1所述的一种光栅尺可靠性试验装置，其特征在于：

所述光栅尺驱动系统(2)包括直线运动滑台(12)、光栅尺驱动系统底板(18)、万向联轴器(19)、伺服电机(20)、丝杆(21)、导轨副承导件(22)、螺旋副(23)、导轨副运动件(24)、传动轴(26)、伺服电机安装板(37)；直线运动滑台(12)固定在螺旋副(23)上；

伺服电机(20)通过万向联轴器(19)与传动轴(26)连接，传动轴末端与丝杆(21)相连，在螺旋副(23)的作用下，导轨副运动件(24)在导轨副承导件(22)上滑动，驱动直线运动滑台(12)上的受试光栅尺做直线往复运动；

光栅尺驱动系统底板(18)支撑起整套运动系统，起到固定支撑、便于整体搬运的作用；所述的伺服电机(20)通过伺服电机安装板(37)安装于试验箱后壳体。

4.根据权利要求1所述的一种光栅尺可靠性试验装置，其特征在于：

所述可编程控制器与振动加载台控制器连接，控制振动加载台(3)的运动，使振动加载台(3)上的受试光栅尺按照给定规律振动；

可编程控制器下行方向与伺服驱动器连接，实现对伺服电机(20)的控制，通过丝杆传动驱动直线运动滑台(12)按给定的运动函数做直线往复运动，使直线运动滑台(12)上部安装的光栅尺安装平台(35)及平台上的受试光栅尺服从给定的运动规律进行运动。

5.根据权利要求1所述的一种光栅尺可靠性试验装置，其特征在于：

所述的油雾控制站(8)，采用喷油的方式使油雾充满整个油雾防护罩(38)，实现对油雾防护罩(38)内的光栅尺受到油雾的影响，模拟光栅尺在加工过程中受到油雾污染的情况；

油雾控制站(8)设置在温湿度试验箱外，所述油雾防护罩(38)置于温湿度试验箱(1)中，通过管路连接油雾防护罩(38)内的油雾喷头(10)；油雾防护罩(38)内的油雾通过油雾回收管道接头(9)经管路回流到油雾控制站(8)；

所述振动加载台(3)的振动加载台上平台(36)表面安装加速度传感器，检测试验系统中的振动值；所述温湿度试验箱中设有温湿度传感器，采集受试光栅尺的温湿度环境参数； 所述油雾防护罩(38)中设有油雾传感器，实现对受试光栅尺油雾浓度的检测。

6.一种如权利要求1所述的一种光栅尺可靠性试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定受试光栅尺的类型和条数、运动的函数规律、模拟加载工况的要求和需要检测的性能参数，并输入工控机软件中；

步骤2：根据受试光栅尺的型号，安装受试光栅尺；

步骤3：根据受试光栅尺需要模拟加载工况的要求确定参数范围及试验时间，进行温度和湿度模拟加载试验、振动加载试验、受试光栅尺供电电压变化试验以及油雾对受试光栅尺可靠性影响试验；

步骤4：选择检测方式对光栅尺精度进行检测：

若选用激光干涉仪的高精度检测法，安装并调整激光干涉仪的位置，使之能够准确检测直线运动滑台(12)的位移；

若选择中等精度的基准光栅尺检测法，在平台上安装可靠性和精度较高的光栅尺，作为标准光栅尺检测另外四条光栅尺的精度；

步骤5：在工控机软件中对试验参数与精度进行显示、分析；储存试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据信息。

7.根据权利要求6所述的一种光栅尺可靠性试验装置的试验方法，其特征在于：

所述的温度和湿度模拟加载试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺温湿度试验标准，确定试验的温度与湿度的范围、变化的速率以及对应的试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验温湿度加载方案，并输入工控机软件中；

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验温湿度加载方案进行加载试验；

3)工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。

8.根据权利要求6所述的一种光栅尺可靠性试验装置的试验方法，其特征在于：

所述的振动加载试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺的振动试验标准，确定振动加载试验中X、Y、Z三个方向每个方向的振动均值、幅值、频率以及试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验振动加载方案，并输入工控机软件中。

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验振动加载方案进行加载试验；

3)在工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。

9.根据权利要求6所述的一种光栅尺可靠性试验装置的试验方法，其特征在于：

所述受试光栅尺供电电压变化试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的供电电压，确定电压加载试验中供电电压幅值变化范围、电压变化率、电压干扰值以及对应的试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验供电电压加载方案，并输入工控机软件中；

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验供电电压加载方案进行加载试验；

3)在工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。

10.根据权利要求6所述的一种光栅尺可靠性试验装置的试验方法，其特征在于：

所述油雾对受试光栅尺可靠性影响试验，包括以下步骤：

1)根据受试光栅尺需要模拟加载的油雾环境，确定油雾加载试验中油雾的浓度、喷射速率、油滴大小以及对应的试验时间；制定周期性的光栅尺可靠性试验油雾加载方案，并输入工控机软件中；

2)安装受试光栅尺，确定高精度或中等精度检测方式；盖上光栅尺驱动系统(2)上方的保护罩，按照制定的周期性的光栅尺可靠性试验油雾加载方案进行加载试验；

3)在工控机软件中实时显示试验数据，分析记录试验数据。