FANUC數控系統配外置旋轉編碼器的運用

鄒濤，周翔，羅俊波，王菁

(沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203)

由于數控銑鏜床相比其他機床復雜，加工范圍廣，適應能力強，精度要求高，在設計機床時需要考慮成本，也要考慮加工性能，因此需要在機床配置上有所取舍。數控機床能配置全閉環的，盡量使用，因為全閉環可提高精度、減小誤差。但在實際運用中，因機械結構安裝光柵尺位置受限，不能使用全閉環，只能采用半閉環控制，如電機內置編碼器、或絕對電機編碼器、或外置旋轉編碼器作為反饋。

使用距離碼旋轉編碼器或直線光柵尺，不需要安裝回零碰塊，回零方式簡單，并且機床參數設置較為簡單，按照機械給出的數據及光柵尺數據就能設置好，但是其價格較昂貴，使得機床成本較高，性價比不好。在市場競爭日益激烈的今天，性價比對市場獲得非常重要。對于加工要求不高的機床，直線坐標軸可使用外置編碼器半閉環控制，這樣既能滿足機床使用要求，又能有效降低成本，提高機床的性價比。

1 外置編碼器的使用

根據機床設計不同，采用的配置有一定差距。某型數控銑鏜床所使用的配置如表1所示。

表1 某型數控銑鏜床所使用的配置

對第1種及第2種不做論述，這里主要對第3種情況進行分析。

例如:機床鏜軸，使用增量式旋轉編碼器 (歐姆龍2000線TTL旋轉編碼器)，這種情況需配置回零碰塊。電機型號為aiF 12/4000，絲桿螺距16 mm，電機與鏜桿之間3∶40的減速比。

其機床NC參數設置如表2所示［1］。

表2 使用增量式旋轉編碼器的機床NC參數設置

在這里需要注意，FANUC中的N/M通常為不大于“0”的小數，但這里根據數控系統公式計數得出N/M=2/1，這說明選用的旋轉編碼器的分辨率低于數控系統的分辨率。如要得到大于“0”的小數，就必須提高編碼器的分辨率，即選用編碼器線數高的，如4 000脈沖數或者更高。但是對于該型機床，這種配置已經滿足鏜軸精度設計要求，因此直接使用計數出的數值。通過實際驗證，其精度符合設計要求。為什么不取消外置編碼器直接使用電機內置編碼作為位置檢測呢?使用電機內置編碼器計算出的精度比使用第二編碼器計算出的精度還要高，如果使用半閉環控制，系統通過N/M得出的理論精度高，但是由于機械傳動比較大，長時間使用以后，傳動零件一旦磨損，就無法實際檢測機械位置，反而造成誤差增加，甚至無法檢測傳動鏈是否斷開的情況。

根據數控系統手動回參考點的設置要求設置好參數后，參考點回零方式需要安裝減速碰塊來進行回零過程的判斷。這種回參考點的方式需要根據進給軸的最快移動速度及第2反饋標志位來判斷。回零判斷如圖1 所示［2］。

圖1 減速極限開關設置條件

式中:LDW為減速擋塊寬幅 (mm);

vR為快速移動速度 (mm/min);

TR為快速移動時間常數 (ms);

TS為伺服時間常數 (ms);

vL為參考點返回FL速度 (mm/min);

LDA為減速極限開關解除和參考點之間的距離。

按照例子:

最小碰塊距離LDW＞(3 000×(100/2+30+100)+4×400×100)/(60×1 000)=11.66 mm

碰塊長度必須大于11.66 mm，否則無法減速。如果碰塊長度不夠，會導致回零失敗或直接撞擊硬限位。

機床“*DEC1”為回零快速移動觸發信號，默認上升沿有效。如按照“*DEC1”默認設置，則進給軸以快速移動速度去撞擊減速碰塊，直到減速極限點后開始以FL速度找參考點，直到找到零標記位或直接撞擊硬限位。

圖2為該型機床鏜軸機械結構，對于FANUC數控系統使用旋轉編碼器為第2反饋，通過回零碰塊激活回零方式較為少見，多數情況為絕對編碼器電機半閉環控制。

圖2 鏜軸傳動及反饋

旋轉編碼器不同于直線增量光柵尺，增量光柵尺有許多固定的回零參考點，分布在整個光柵尺上［3］。編碼器直接連接到絲桿，每旋轉一周或一個絲桿螺距，系統將檢測到零標記點，即參考點，因此使用外置編碼器反饋需要使用碰塊式回零，而旋轉編碼器每圈只有一個參考點，不使用碰塊回零，那么在任意位置回參考點將在正負一個絲桿螺距處找到參考點，這不是作者所需要的。按照數控系統要求安裝回零碰塊，如圖3所示。

圖3 鏜軸回零碰塊及正負限位

按照圖3，默認數控系統“*DEC1”的回零方式，可分為3種情況:(1)當回零開關在“回零移動距離”外，機床以該軸回零快速設定的值移動，直到碰到“回零碰塊”后減速，需要LDW足夠長使其減速，當減速到以FL的速度移動時，開始找參考點，一個絲桿螺距內將找到參考點，回零成功并結束移動。(2)當鏜軸回零開關在“回零碰塊”上，即觸發了開關，機床將以機床設定的FL速度移動，直到回零成功或撞到正限位為止。(3)當鏜軸回零開關在回零移動距離內，不在“回零碰塊”上，機床將以機床設定的最快速度移動，直到撞到正限位，回零失敗。經過調整碰塊的位置、長度，如圖4所示。

圖4 調整后的鏜軸回零碰塊及正負限位

這里就只存在2種情況:

(1)當回零開關在“回零移動距離”外，機床以該軸回零快速設定的值移動，直到碰到“回零碰塊”后減速，需要LDW足夠長使其減速，當減速到以FL的速度移動時，開始找參考點，一個絲桿螺距內將找到參考點，回零成功并結束移動。

(2)當鏜軸回零開關在“回零碰塊”上，機床將以機床設定的FL速度移動，直到回零成功或撞到正限位為止。

為使碰塊回零較為安全，只對“*DEC1”信號做改動，即3003#5=1，設置為在“1”信號下有效。對于上述情況分別為:(1)當回零開關在“回零移動距離”外，機床以該軸FL設定的值移動，直到碰到回零碰塊后開始找參考點，一個絲桿螺距內將找到參考點，回零成功并結束移動。其回零移動距離大于絲桿螺距即可，否則回零失敗。(2)當鏜軸回零開關在回零碰塊上，機床將以機床設定的快速回零速度移動，直到撞到正限位為止，即使以快速回零速度撞硬限位，其移動距離較短，也不會對硬限位造成較大沖擊，可視為安全［4］。

2 其他相關設置

設計好機床硬件部分后，需要對軟件即數控系統參數做相應的設定及調整。數控系統參數設置正確與否，與數控系統的功能及機床的性能相關。在運用過程中，鏜軸回零成功后，需要系統自動移動到機床機械零點功能有效。需要修改相關參數，并且手動輸入移動量。當第一次參數修改調整好后，參考點位移功能及零點位置有效，能保證其坐標的準確性。但是在生產過程或機床維修時，如移動過回零碰塊或回零開關后，可能影響鏜軸的零點偏移，甚至回零失敗。

相關機床參數:

1008#4=1:在基于柵格方式的參考點返回操作中，參考點位移功能 (0無效，1有效)。

1844:參考點偏移功能的參考點偏移量為0時，或者基于柵格的參考點返回時，到最初的柵格點的距離。

1850:每個軸的柵格位移量/參考點位移量。

如對機床參數不了解，只通過調試1850參數，是無法調試好的。需要對1844進行調試。而1844是系統自動設定的，無法直接通過手動輸入修改的。如需要調整碰塊位置或開關位置，并對機械零點做調整，需要同時把1844及1850參數清除后才可重新設置。如果只清除1850不清除1844，機床將默認以1844為基準點零點偏移，無論怎么修改1850，其零位不對或回零失敗。

3 總結

使用外置旋轉編碼器直接連接絲桿，直接檢測絲桿位置，減小了測量誤差，提高了機床反饋檢測的精度及機床坐標的準確性;代替了價格昂貴的光柵尺，大大降低了機床成本，提高了機床的性價比，對提高機床的市場競爭力、擴大機床的市場份額具有重要意義。

［1］ FANUC 公司.Series oi-Model D Connection Manual(Function)［M］.

［2］ FANUC 公司.Series oi-Model D Connection Manual(Function)［M］.

［3］湯彩萍.FANUC編碼器技術研究與應用［J］.金屬加工:冷加工，2008(22):64－66.

［4］李巧潔，譚國斌.FANUC數控系統典型故障分析［J］.設備管理與維修，2007(5):25－26.