距離編碼直線光柵尺在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用
2019-5-14 來(lái)源：沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 中捷機(jī)床有限公司 作者：薄永柱 劉永吉 李忠瑋
摘要：隨著對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度的要求越來(lái)越高，使用電機(jī)編碼器作為位置反饋的方式已經(jīng)不能滿足精度需求。使用光柵尺構(gòu)成的全閉環(huán)控制方式可以實(shí)現(xiàn)高精度和精度穩(wěn)定性。本文首先介紹了海德漢光柵尺的原理。之后給出了在FANUC數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；光柵尺；應(yīng)用
數(shù)控機(jī)床廣泛運(yùn)用于加工、石油、汽車(chē)等領(lǐng)域，是工業(yè)企業(yè)提高技術(shù)水平的有效手段，也是未來(lái)發(fā)展所需。數(shù)控機(jī)床的精度直接影響到加工零件的精度，普通伺服電機(jī)上安裝的編碼器精度不高，不適于高精加工的要求，為了滿足高速高精的要求，我們?cè)跀?shù)控機(jī)床上安裝了用于檢測(cè)位置的光柵尺。被放置在滑板上的光柵尺包含了進(jìn)給機(jī)構(gòu)全部的機(jī)械環(huán)節(jié)，不存在額外的機(jī)械部件產(chǎn)生的誤差，因此光柵尺可以檢測(cè)出機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，并能在控制系統(tǒng)電路中給予修正，它可以消除以下潛在的誤差源：①由于滾珠絲杠溫度特性導(dǎo)致的位置誤差。②反向間隙。③滾珠絲杠螺距誤差的運(yùn)動(dòng)特性誤差。因此，光柵尺已成為滿足高精度定位和高速加工機(jī)床不可或缺的必備條件。本文以海德漢距離編碼直線光柵尺為例，介紹了在FANUC數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用方法。
1、距離編碼光柵尺簡(jiǎn)介
（1）光柵尺的簡(jiǎn)介。作為位置檢測(cè)元件，光柵尺是以光柵柵距為基準(zhǔn)對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量。一般的光柵尺是根據(jù)莫爾條紋的原理進(jìn)行測(cè)量的。光柵尺通常由標(biāo)尺及讀數(shù)頭等部件構(gòu)成。通常情況下，標(biāo)尺安裝在機(jī)床的固定部件上，讀數(shù)頭則安裝在運(yùn)動(dòng)部件上。在讀數(shù)頭中裝有指示光柵。
（2）距離編碼原理。通常情況下進(jìn)給軸需要安裝返回參考點(diǎn)所需的減速開(kāi)關(guān)，但是當(dāng)使用距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志的直線光柵尺時(shí)就不需要這種減速開(kāi)關(guān)，并可以實(shí)現(xiàn)返回參考點(diǎn)。這樣在實(shí)際使用中，特別是對(duì)于行程較長(zhǎng)的進(jìn)給軸，就非常方便。距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志的位置測(cè)量元件的基本原理是采用兩組參考標(biāo)志通道，其中一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)柵格標(biāo)志通道，另一個(gè)是與前一個(gè)平行的帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志通道。每通道中的兩個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)志之間的距離相同，但兩通道之間兩個(gè)相鄰參考點(diǎn)標(biāo)志的距離是變化的，每運(yùn)動(dòng)一段距離后增加一個(gè)固定值。通過(guò)這個(gè)距離，進(jìn)給軸就可以確定所處的絕對(duì)位置，具體原理如下圖所示：
圖1 光柵尺判斷絕對(duì)位置示意圖
如上圖所示，當(dāng)讀數(shù)頭從標(biāo)尺的A點(diǎn)，途徑B點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)后，CNC根據(jù)檢測(cè)到數(shù)據(jù)為10.02判斷進(jìn)給軸目前在哪個(gè)參考點(diǎn)位置。同樣的，讀數(shù)頭從標(biāo)尺的B點(diǎn)，途徑C點(diǎn)，移動(dòng)到D點(diǎn)后，CNC根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是10.04就可判斷進(jìn)給軸目前在哪個(gè)參考點(diǎn)位置，因此想要判斷進(jìn)給軸的絕對(duì)位置，只需其移動(dòng)任意超過(guò)兩個(gè)參考點(diǎn)距離就可實(shí)現(xiàn)。帶距離編碼光柵尺具備普通光柵尺沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，特別是在大型機(jī)床上更加顯著，例如回參考點(diǎn)的速度更快，并可在兩個(gè)方向回參考點(diǎn)，這很好地解決了某些特殊機(jī)床不適合移動(dòng)軸全程回參考點(diǎn)的問(wèn)題。
2、光柵尺的在FANUC系統(tǒng)上的應(yīng)用
下面將以海德漢公司的帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志光柵尺在FANUC數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用為例，介紹具體應(yīng)用方法。
2.1 相關(guān)參數(shù)設(shè)定
在發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)中使用帶距離編碼的海德漢光柵尺，需進(jìn)行如下參數(shù)的設(shè)置。
通過(guò)參數(shù)1815的第一位（OPT）和參數(shù)1815的第二位（DCL）設(shè)置光柵尺使用類(lèi)型。
參數(shù)1802的第一位（DC4）。
參數(shù)1821：用于設(shè)置Mark1相鄰兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)標(biāo)志柵格間距。
參數(shù)1882：用于設(shè)置Mark2相鄰兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)標(biāo)志柵格間距。
參數(shù)1883：用于設(shè)置光柵尺理想的原點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的距離。
以海德漢公司的LB382C型光柵尺為例，參數(shù)設(shè)置如下所示。
可以看出相鄰兩個(gè)Mark1之間的距離為50mm，相鄰兩個(gè)Mark2之間的距離為50.020mm.相關(guān)的參數(shù)設(shè)置為：
將參數(shù)1802的第一位（DCL）設(shè)置為0，即使用三參考點(diǎn)的方式檢測(cè)回零點(diǎn)。
參數(shù)1821設(shè)置為50000，其單位為數(shù)控系統(tǒng)的最小檢測(cè)單位。
參數(shù)1882設(shè)置為50020，其單位為數(shù)控系統(tǒng)的最小檢測(cè)單位。
參數(shù)1883設(shè)置1，即機(jī)床重新上電后回零。
機(jī)床重新上電后通過(guò)3次移動(dòng)計(jì)算坐標(biāo)零點(diǎn)的位置。
參數(shù)1883設(shè)置完成后就建立了進(jìn)給軸的參考點(diǎn)。斷電后再上電就需執(zhí)行回零操作，進(jìn)給軸走停3次后，根據(jù)光柵尺的檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前位置的機(jī)械坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)。并給該進(jìn)給軸的機(jī)械坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行賦值，無(wú)需把回零操作完全執(zhí)行結(jié)束，就能建立進(jìn)給軸參考點(diǎn)。類(lèi)似于絕對(duì)式編碼器的回零方式。
2.2 控制方式
（1）按照上述方式對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
（2）確認(rèn)機(jī)床的絕對(duì)位置：因?yàn)閮蓚€(gè)通道的參考點(diǎn)標(biāo)志之間的距離是不同的，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地判斷出進(jìn)給軸所處的是哪一個(gè)參考點(diǎn)，并計(jì)算出進(jìn)給軸的絕對(duì)位置，但這個(gè)位置并不一定是機(jī)床原點(diǎn)，所以還需要通過(guò)一個(gè)原點(diǎn)偏移參數(shù)來(lái)計(jì)算。參數(shù)1883就是這樣的參數(shù)，該參數(shù)的設(shè)置值就是第一參考點(diǎn)到機(jī)床原點(diǎn)的距離。
通過(guò)以上的設(shè)置就完成了帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志光柵尺在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3、結(jié)語(yǔ)
具有長(zhǎng)行程進(jìn)給軸的大型數(shù)控機(jī)床，在安裝了帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志的直線光柵尺后，極大方便了日常的使用和操作，如可以以更快的速度返回參考點(diǎn)；可在兩個(gè)方向進(jìn)行回零。在某些特殊情況下，如帶中心架的車(chē)床，原來(lái)Z軸回零操作比較繁瑣，但是應(yīng)用帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志的直線光柵尺后，這個(gè)問(wèn)題就很好地解決了。
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