距離碼光柵尺在數(shù)控機床中的應(yīng)用

■河南平原光電有限公司 （焦作 454001） 王玉功 梁 兵

距離碼光柵尺在數(shù)控機床中的應(yīng)用

■河南平原光電有限公司 （焦作 454001） 王玉功 梁 兵

摘要：分析使用帶距離編碼參考點標(biāo)志的線性測量系統(tǒng)的好處、工作原理、安裝調(diào)整及在幾種常用的數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用方法與故障排除。

近幾年，使用距離碼光柵尺的數(shù)控機床正逐漸增多。這種光柵尺帶有距離編碼參考點標(biāo)志（distance-coded reference），使用帶距離編碼參考點標(biāo)志的線性測量系統(tǒng)，可以不必為返回參考點而在機床上安裝減速開關(guān)，并返回一個確定的機床參考點，因此也可以把這種回參考點方式稱為半絕對，這樣在實際使用中可以帶來了許多方便。

光柵尺的安裝和調(diào)整

在安裝和調(diào)整時必須注意以下幾個要點：主尺與讀數(shù)頭間的間隙、主尺與導(dǎo)軌的平行度，并采取防污染措施。一般安裝時，將主尺固定在工作臺上，讀數(shù)頭固定在床身上，避免由于讀數(shù)頭的移動，帶動讀數(shù)頭信號線，從而容易產(chǎn)生線破損或者接觸不良的故障，應(yīng)盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方，主尺口向下可以防止切屑、切削液及油液的污染。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時，則必須增加輔助密封裝置。安裝前要檢查主尺安裝面與導(dǎo)軌的平行度，一定要在0.1mm/1 000mm以內(nèi)；讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差一般≤±0.1mm。安裝時，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度

≤0.1mm，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1.1mm左右（根據(jù)光柵尺的說明書確定）。

工作原理

帶距離編碼參考點標(biāo)志的線性測量系統(tǒng)的原理是采用包括一個標(biāo)準(zhǔn)線性的柵格標(biāo)志和一個與此相平行運行的另一個帶距離編碼參考點標(biāo)志通道，每組2個參考點標(biāo)志的距離是相同的，但兩組參考點標(biāo)志間距離不同，使得兩組之間2個相鄰參考點標(biāo)志的距離是可變的，因此，如果設(shè)定一個基準(zhǔn)點，數(shù)控軸可以根據(jù)距離來確定其所處的絕對位置，如圖1所示。

JENA公司LIS73-1 A 141 F光柵尺為例，如從基準(zhǔn)點M點移動到O，中間經(jīng)過N點，系統(tǒng)檢測到10.02就知道軸現(xiàn)在是在哪一個參考點位置；同樣從N點移動到P，中間經(jīng)過O點，系統(tǒng)從O點到P點的距離是10.04mm就知道軸現(xiàn)在是在哪一個參考點位置，所以只要軸任意移動超過2個參考點距離（20mm）就能得到機床的絕對位置。例如點M、U距離為35mm，當(dāng)從M點移動時，如果檢測到2個標(biāo)志間距離為10.04mm時，就認為到了P點，再往前移動4.96（35-20-10.04=4.96）mm就到了U點。

圖1

圖2

距離碼光柵尺在幾種數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用

1. 在FANUC數(shù)控系統(tǒng)0i-C中應(yīng)用

（1）參數(shù)設(shè)定。

1815#1OPT閉環(huán)控制時設(shè)為1

1815#2DCL使用距離碼光柵尺為1（光柵尺選擇了帶距離編碼參考點標(biāo)志的直線光柵尺。在使用圓光柵時1815#1 #2 #3均要設(shè)定為1）

802#1DC4參考點回零檢測的次數(shù)（為0時檢測3次）

1821相鄰2個Mark1之間的距離也就是直線光柵尺標(biāo)準(zhǔn)參考點標(biāo)志柵格間距

1882相鄰2個Mark2之間的距離（也就是2個相鄰參考點間的標(biāo)準(zhǔn)距離加上一個固定距離，不同廠商說明書標(biāo)法不同）

1883假想的光柵尺原點與參考點之間的距離（用來修改參考點）

光柵尺接口單元即SDU單元作為從屬裝置，緊靠放大器從屬裝置的參數(shù)設(shè)置為16（例如3個NC軸，則1913設(shè)置為16，若4個NC軸1914設(shè)置為16）

2084柔性進給傳動比分子

2085柔性進給傳動比分母

2185位置脈沖變換系數(shù)[實際傳動比=2084#/（2085#×2185#）]

2023速度脈沖數(shù)

2024位置脈沖數(shù)

1905#6 設(shè)為1使用一個SDU單元

905#7若使用第二個SDU單元設(shè)為1（多于4個軸使用光柵尺時1905#7設(shè)為1）

1320正向軟極限

1321負向軟極限

以圖2光柵尺為例的參數(shù)設(shè)置：

首先進行伺服參數(shù)設(shè)定2083、2084、2085、2020、2024、1020和1023等參數(shù)設(shè)定；接著進行FSSB設(shè)定，從屬設(shè)備的設(shè)置。

相鄰2個Mark1之間的距離20mm；相鄰2個Mark2之間的距離20.2mm。

相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如下：

1815#11

1815#21

1802#1DCL （設(shè)置為0 使用3參考點檢測回零點）

182120000（最小檢測單位μ）

188220200（最小檢測單位μ）

1883（上電后回零，機床會移動3次自動計算零點的坐標(biāo)位置）

填寫到1883即可建立參考點。斷電后再上電執(zhí)行回零操作，該軸走停3次（或4次，參數(shù)1802#1設(shè)定為1），根據(jù)光柵尺反饋回來的數(shù)據(jù)自動計算出該位置的絕對坐標(biāo)和機床坐標(biāo)，并對

該軸的絕對坐標(biāo)和機械坐標(biāo)進行賦值。由于這種回零只需短距離回零操作即可，因此稱之為半絕對式。

（2）操作。①第一步：按照上面辦法設(shè)定參數(shù)（1883先設(shè)定為0，軟極限范圍足夠大或者參數(shù)1320為1、參數(shù)1321為-1取消軟極限）。②第二步：確認機床絕對位置。由于2個參考點標(biāo)志之間的距離是可變的，這樣系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確地識別軸所處在的是哪一個參考點并計算出實際位置，但這個位置可能并不一定是你所需的機床基準(zhǔn)點值，所以還必須有一個基準(zhǔn)點偏移參數(shù)來參與計算。設(shè)定1883#就可以完成這一步，實際上1883#中設(shè)定的值就是測量系統(tǒng)中的第一個參考點到機床基準(zhǔn)點的距離。如果與要求的坐標(biāo)不同，修改參數(shù)1883#之值。③第三步，根據(jù)機床行程設(shè)定軟極限。

（3）故障排除。①無法進行回零操作。檢查回零的速度，手動快速速度是否正常設(shè)定。如果速度低，將產(chǎn)生90#報警，必須提高速度。②無法正常走停。檢查光柵尺的反饋信號是否存在干擾。③417#報警。屬于光柵尺的參數(shù)設(shè)定，按照光柵尺的規(guī)格進行正確設(shè)定。出現(xiàn)該報警時，檢查系統(tǒng)自診斷中的280#，排查問題的出處。④445#報警，即軟斷線報警。主要是光柵尺的讀數(shù)頭與光柵尺尺體的安裝上達不到要求，請注意光柵尺廠家提供的安裝要求，也可通過下述辦法解決。2003#1：由0設(shè)為 1；2064：增大4的整數(shù)倍。如果還有445#報警，需要重新安裝、檢查光柵尺。注意：參數(shù)2064值不能太大，否則可能燒毀元件。

2. 在西門子828D系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）參數(shù)設(shè)定。

MD30200=2（編碼器數(shù)量，帶光柵尺：定為2）

MD30240=2（編碼器類型：1：增量式；2：距離碼；4：絕對值）

MD31000=1（編碼器是否線性的。0：編碼器；1：光柵尺）

MD31040=1（是否采用閉環(huán)控制。0：半閉環(huán)；1：閉環(huán)）

MD34000=0（是否使用凸輪減速開關(guān)。0：不用；1：用）

MD34010（回參考點方向。0：正；1：負）

MD34020（回參考點速度）

34040 （尋找零脈沖速度）

MD34090 （回參考點偏移值）

MD34060（返參考點最大移動距離=2×標(biāo)準(zhǔn)參考點標(biāo)志間距）

MD34200=3 （回零模式）

M D34300（標(biāo)準(zhǔn)參考點標(biāo)志間距）

MD34310 （兩組參考標(biāo)志距離差值）

MD36100（負向第一軟極限）

MD36110 （正向第一軟極限）

驅(qū)動數(shù)據(jù)P426[1]光柵尺的倍頻數(shù)

（2）操作。驅(qū)動系統(tǒng)中驅(qū)動數(shù)據(jù)的設(shè)置：

首先根據(jù)以上操作步驟進入軸驅(qū)動參數(shù)配置，在“驅(qū)動-概覽”畫面選擇“更改”，在“驅(qū)動配置-電動機”畫面選擇下一步。從而進入“驅(qū)動配置-編碼器”分配畫面，勾選編碼器2，從列表中選擇編碼器2對應(yīng)的SMC接口。在此畫面中選擇下一步，出現(xiàn)“驅(qū)動配置-載要”畫面出現(xiàn)，選擇完成；接著選擇光柵類型。為此，將驅(qū)動參數(shù)P10置4，進入驅(qū)動參數(shù)調(diào)試狀態(tài)。選擇編碼器類型編號P0400[1]為9999，即光柵自定義。

再一步設(shè)置編碼器型號P404[1]，根據(jù)光柵信號類型按位選擇；根據(jù)所用光柵選擇P424距離碼光柵零脈沖信號的間距。最后把P410[1]改回0，選擇“保存/復(fù)位”→“保存”→“驅(qū)動設(shè)備”，屏幕出現(xiàn)“驅(qū)動Control Unit（1）已備份”字樣，從而保存了所完成的配置參數(shù)。

注意如果編碼器反向，不要修改MD32110，而要改P410[1]為3，否則會影響動態(tài)剛性性能，如果有細分倍數(shù)還要把細分倍數(shù)填入P426[1]。

（2）N C參數(shù)的設(shè)置。①按菜單選擇鍵，接著選擇“調(diào)試”軟鍵，再選擇“機床數(shù)據(jù)”軟鍵。②選擇“軸數(shù)據(jù)”，根據(jù)那一個軸選擇“軸+”或“軸-”。根據(jù)以上參數(shù)說明設(shè)置對應(yīng)參數(shù)（MD34090先設(shè)為0）。設(shè)置參數(shù)以后，在回參考點方式，就可以執(zhí)行相應(yīng)軸回參考點動作。

通過機床控制面板進入JOG 和REF方式，按住回參考點軸的方向鍵控軸將以MD34040（參考點爬行速度）所設(shè)定的速度搜索參考點標(biāo)志。直到出現(xiàn)，相應(yīng)的軸就回到了參考點。

在回參考點過程中出現(xiàn)“20003測量系統(tǒng)錯誤”的報警。是由于機床移動了參數(shù)MD34060設(shè)定的距離還沒有找到參考點。

處理辦法：確定2個奇數(shù)參考點標(biāo)志之間的距離（參考點標(biāo)志間隔）。該值必須輸入到機床數(shù)據(jù)34300 ENC_REFP_MARKER_ DIST 中。

在回參考點過程中，如果出現(xiàn)“20004 缺少參考點標(biāo)志”的報警。是由于機床移動了參數(shù)MD34300設(shè)定的距離，數(shù)控系統(tǒng)還沒有找到2個變距離的參考點標(biāo)志。處理辦法：確定2個奇數(shù)參考點標(biāo)志之間的距離（參考點標(biāo)志間隔）。該值必須輸入到機床數(shù)據(jù)34060 REFP_MAX_MARKER_ DIST 中，如果坐標(biāo)值不是理想的值，可以修改參數(shù)MD34090之值來滿足需要。

偏移量＝實際位置-線性測量系統(tǒng)的實際位置，把偏移量輸入?yún)?shù)MD34090。

3. 在海德漢iTNC530中的應(yīng)用

（1）參數(shù)設(shè)定。

MP20.0距離碼光柵尺標(biāo)志的絕對位置

MP20.1監(jiān)視編碼器的幅度

MP110.X相應(yīng)軸光柵尺接口（沒有光柵尺為0）

MP112相應(yīng)軸電動機編碼器接口

MP210.0位置編碼器計數(shù)方向（0正、1負）

MP331電動機一圈對應(yīng)的距離。半閉環(huán)：絲杠螺距×減速比。直線光柵尺的信號周期MP332直線光柵尺刻線數(shù)為或電動機一轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)

MP334 2個固定參考點間的名義增量距離 MP340 細分倍數(shù)

M P115 光柵尺信號類型（0：1Vpp，1：11μApp）

MP115.2光柵尺信號的輸入頻率

MP910正向行程軟極限

MP920負向行程軟極限

MP1320回參考點方向

MP960修改機械坐標(biāo)系

1330移向參考點標(biāo)志的速度

1040電動機編碼器計數(shù)方向（電動機旋轉(zhuǎn)方向）

1340回參考點順序（不回參考點為0）

1350為3（使用距離碼光柵尺）

例如，圖1所示光柵尺，兩組參考標(biāo)志距離差值為0.02m m，參考點間標(biāo)準(zhǔn)距離為20m m，則需要設(shè)M P331. X=0.02，MP332.X=1，MP334. X=20mm/0.02mm=1 000。

（2）操作：根據(jù)以上說明設(shè)定參數(shù)（參數(shù)960先設(shè)為0，軟極限足夠大），執(zhí)行回參考點。如果機械坐標(biāo)值不對，可以修改參數(shù)960的值。偏移量＝實際位置-線性測量系統(tǒng)的實際位置。把偏移量輸入?yún)?shù)960，再根據(jù)機床行程設(shè)定軟極限。

如果移動距離超過2倍的mask2間的距離，將產(chǎn)生錯誤的參考點標(biāo)志報警。如果光柵尺安裝不正確，使得光柵尺信號有些弱，將產(chǎn)生測量系統(tǒng)報警，降低檢測幅值，可以減小MP20.1參數(shù)之值，使得報警消除；如果產(chǎn)生靜態(tài)誤差過大報警，可能是正反饋，要調(diào)整1040或210值；如果方向相反，要同時修改1040和210的數(shù)值。

結(jié)語

大型數(shù)控機床由于其數(shù)控軸移動距離比較長，如果使用一般的光柵尺，回參考點只能向一個固定位置移動，非常不方便。如果安裝了距離碼光柵尺，2個方向都可以進行操作，能夠更快地完成返回參考點操作。

參考文獻：

[1] 海德漢公司. iTNC530簡明調(diào)試手冊[E]. 2009.4

[2] 西門子公司. SINUMERIK 828D/828D BASIC簡明手冊[E]. 2012.1

收稿日期：（20141220）