論絕對光柵尺

龔仲華

(常州機電職業技術學院，江蘇常州 213164)

光柵尺(Linear Encoders)是全閉環位置控制數控機床最為常用的檢測器件之一，通過光柵尺的直接位置檢測，不僅可以減小反向間隙、滾珠絲杠制造誤差對機床精度的影響，而且能在一定程度上補償絲杠的熱變形，提高機床精度;使用絕對光柵尺，還可省略增量光柵尺所必需的開機回參考點操作，使操作更便捷。數控機床目前所使用的光柵尺有增量光柵尺、絕對光柵尺及帶“距離碼參考標記”增量光柵尺3類，其結構、特點、用途及使用方法各不相同，本文將對此進行分析與說明。

1 增量光柵尺與絕對光柵尺

光柵尺是用于直線位移檢測的測量器件，其光學系統設計一般采用成像掃描與干涉掃描原理，柵距為20～40 μm的光柵尺通常采用成像掃描，而柵距為4～8 μm的光柵尺需要采用干涉掃描。光柵尺的位置檢測信號分增量計數輸出與絕對值輸出兩類，前者需要通過外部控制器(如CNC)計算輸出脈沖的數量來確定實際位置，稱增量光柵尺(Incremental Linear Encoders);后者的輸出信號可直接反映實際位置，稱絕對光柵尺(Absolute Linear Encoders)。

增量光柵尺的輸出信號為兩相計數脈沖(A/B相)與零脈沖(Z相)，零脈沖用來確定位置計數的參考點;A/B兩相計數信號用來確定相對位移與鑒別轉向。增量光柵尺的3相信號并行傳送，光電轉換信號經整形與放大后的輸出為11 μApp的正余弦信號，它可通過內置或外置的細分電路轉換成TTL脈沖或HTL脈沖輸出。光柵內置細分電路的細分倍率為5～20，其檢測分辨率通常在微米級;外置式前置放大器的細分倍率可達400，檢測分辨率可達納米級;在特殊的測量儀器上，還可使用細分倍率高達216(65 536)的PC適配卡，使位置分辨率達到0.06～0.12 nm。使用增量光柵尺的數控機床必須通過“回參考點”操作來確定計數基準與進行實際位置“清零”。

絕對光柵尺可以直接輸出絕對位置。由于現代數控機床的坐標軸需要有微米級甚至納米級測量分辨率與米級甚至幾十米的測量行程，如果采用多通道平行布置的物理編碼刻度，光柵尺的結構將會比較復雜。以行程1 m的機床為例，若要達到0.1 μm的測量分辨率，就需要有107(約224)組位置編碼數據，采用平行布置的二進制編碼就需要有24通道的光電轉換、放大、整形與輸出電路，這樣的光柵體積大、制造成本高。因此，絕對光柵尺一般都采用圖1所示的垂直編碼的物理刻度，利用寬度與柵距相等的集成式光電池來檢測絕對位置;為了提高位置分辨率，此類光柵尺往往附加有1 Vpp正余弦增量檢測通道，通過增量輸出信號的細分，位置分辨率可達0.005 μm。

絕對光柵尺的絕對位置需要通過串行接口輸出(如 EnDat2.2、PROFIBUS － DP、FANUC02、Mitsubishi Mit02－04等)，附加的增量信號則可直接輸出;故這樣的絕對光柵尺也可作為增量光柵尺使用。使用絕對光柵尺的數控機床可直接從光柵尺上獲得絕對位置數據，它既不需要后備電池保持數據，也不需要進行開機時的回參考點操作，其位置數據也不能通過控制器(如CNC)調整與改變。絕對光柵尺的制造復雜、成本高。因此，實際數控機床多使用下述的帶距離碼參考標記的增量光柵尺來代替。

2 帶距離碼參考標記的增量光柵尺

帶距離碼參考標記的增量光柵尺與普通增量光柵尺的區別在于:普通增量光柵尺只有間隔不變的“零點標記”刻度與增量計數刻度，其性質相當于多個增量編碼器展開后的疊加，因此，同樣需要用零脈沖計數與增量脈沖計數來確定實際位置值，計數的起始點(參考零脈沖)要通過機床的回參考點操作、用參考點減速開關選定;帶距離碼參考標記的增量光柵尺增加了圖2所示的、位于“零點標記”間的“距離碼參考標記”刻度，距離碼參考標記的間隔一般比零點標記間隔大1個柵距(如0.02 mm)，使得它與相鄰零點標記的相對位置產生變化，CNC可根據這一變化來區分當前組增量計數脈沖在光柵尺上的實際位置。

使用帶距離碼參考標記增量光柵尺的數控機床只要在任意位置移動2倍以上的零點標記間隔便可確定絕對位置，因此，不再需要用參考點減速開關來選定計數的起始零脈沖，且其移動也可不通過專門的回參考點操作，而在JOG運動或G00運動時直接進行，故可以簡化回參考點操作及減小回參考點行程。

3 絕對零點與機床坐標系

距離碼參考標記刻線與右側零點標記刻線重合的點稱光柵尺的“絕對零點”。在實際光柵尺上，由于起始的距離碼參考標記通常位于兩個零點標記的中間，而距離碼參考標記與零點標記的間隔差只有1個柵距，因此“絕對零點”往往遠離光柵尺的起始點，通常情況下它并不在實際光柵上而是一個虛擬的假想零點(圖3)。建立機床坐標系的實質是確定原點(稱機床零點)位置，帶距離碼參考標記的增量光柵尺的數控機床必須在光柵尺的絕對零點位置確定后才能確定機床坐標原點。一般而言，當前所使用的絕大多數CNC都可根據距離碼參考標記與零點標記的間距變化，自動計算出光柵尺絕對零點的位置，然后根據參數的設定確定機床零點。

應當注意的是:普通增量光柵尺的參考點同樣只是確定機床零點的基準位置，它可以與機床零點重合也可以不同，CNC中的參考點位置參數(如FANUC－0iC的PRM1420)所設定的就是參考點在需要建立的機床坐標系中的位置值。回參考點操作的作用是將機床自動定位到參考點上;定位完成后，CNC自動將當前的位置值更改為參數(PRM1420)設定的值，從而間接確定機床零點。部分人對這一過程的理解可能存在一定的誤區。

4 相關CNC參數

使用帶距離碼參考標記增量光柵尺的NC機床需要設定相關參數。以FANUC－0iC/D為例，它需要在電動機每轉脈沖數、電子齒輪比、參考計數器容量等增量檢測系統參數的基礎上，增加以下與絕對零點相關參數:

PRM 1815.2:“1”生效帶距離碼參考標記的增量光柵尺;

PRM1819.2:“1”生效 PRM1883/1884 的自動計算與設定功能;

PRM 1882:距離碼參考標記的間距;

PRM 1883:當前位置的絕對坐標值1(設定范圍－99 999 999～99 999 999);

PRM 1884:當前位置的絕對坐標值2(設定范圍－20～20)。

參數PRM 1883/1884設定的是當前位置相對于光柵尺絕對零點的絕對坐標值。由于“絕對零點”遠離機床，其值可能超過單個參數設定的極限(通常為±99 999 999)，故需要用兩個參數來進行設定。在參數PRM 1883/1884同時設定時，當前位置的絕對坐標值=(PRM1884)×108+(PRM1883)，如當前位置的絕對坐標值為 －250 000 mm、系統測量分辨率為0.001 mm時，可設定參數PRM1883=－50 000 000;PRM1884= －2。

5 參數的計算

如果通過手工計算的方法來設定以上參數，則必須計算PRM 1883/1884的值，其計算方法如下。

假設機床使用的是圖3所示的零脈沖標記間距為20 mm、距離碼參考標記間距為20.02 mm的光柵尺，且坐標軸已經定位于圖中的參考點上，則可以直接設定PRM1882=20 020(距離碼參考標記間距);然后按照以下步驟計算參數PRM1883/1884的設定值:

①計算距離碼參考標記與零脈沖標記的距離差，本例為20.02－20=0.02 mm;

②計算從光柵尺起始點到絕對零點的零脈沖數量，本例為10 mm÷0.02 mm=500;

③計算光柵尺起始點到絕對零點的距離，本例為500×20=10 000 mm;

④以絕對零點為基準，確定光柵起始點的坐標值，本例為－10 000 mm;

⑤計算參考點的坐標值，根據圖示的參考點位置，得到參考點的絕對坐標為－10 000+(20×2－4)=－9 964 mm;

⑥根據以上計算結果，可以設定PRM1883=－9 964 000;PRM1884=0。

由此可見，手工計算PRM1883/1884的前提是必須清楚地知道當前定位點在光柵尺上的具體位置，這在實際使用時往往難以做到;為此，FANUC－0iC/D可通過設定PRM1819.2=“1”生效PRM1883/1884的自動計算與設定功能，這樣，坐標軸只要在任意位置移動2倍以上的零點標記間隔，CNC就可以自動設定參數PRM1883/1884的值。

6 結語

從本質上說，帶距離碼參考標記的光柵尺只是一種帶有絕對位置識別標記的增量式光柵尺，在無斷電數據保持后備電池時，仍然需要移動機床后才能計算得到絕對位置值，只是這樣的移動可在任意位置通過JOG或G00實現而已。這一點在很多場合往往被人們所混淆，或將其視為“絕對光柵尺”、或采用“半絕對光柵尺”等模糊提法。希望本文能夠為讀者澄清概念提供一定的幫助。