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距離編碼直線光柵尺在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

2020-3-14 來源：沈陽機(jī)床股份沈一車床廠等作者：薄永柱劉永吉李忠瑋

摘要：隨著對數(shù)控機(jī)床加工精度的要求越來越高，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，我們在數(shù)控機(jī)床上安裝了用于檢測位置的光柵尺。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出機(jī)械傳動(dòng)過程中的誤差，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 距離編碼光柵尺簡介

（1）光柵尺的簡介。作為位置檢測元件，光柵尺是以光柵柵距為基準(zhǔn)對位置進(jìn)行測量。一般的光柵尺是根據(jù)莫爾條紋的原理進(jìn)行測量的。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，特別是對于行程較長的進(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。通過這個(gè)距離，進(jìn)給軸就可以確定所處的絕對位置，具體原理如下圖所示：

圖 1光柵尺判斷絕對位置示意圖

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)給軸的絕對位置，只需其移動(dòng)任意超過兩個(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 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)光柵尺的檢測數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前位置的機(jī)械坐標(biāo)和絕對坐標(biāo)。并給該進(jìn)給軸的機(jī)械坐標(biāo)和絕對坐標(biāo)進(jìn)行賦值，無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)。類似于絕對式編碼器的回零方式。

2.2 控制方式

（1）按照上述方式對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（2）確認(rèn)機(jī)床的絕對位置：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)，所以還需要通過一個(gè)原點(diǎn)偏移參數(shù)來計(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

具有長行程進(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，如帶中心架的車床，原來 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)問題就很好地解決了

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