基于SIMOTION 的帶距離編碼光柵尺回零算法研究

孔 陽，裴曉宇，張 健

（中國航空工業集團公司 北京航空精密機械研究所，北京 100076）

0 引言

隨著國家工業水平的飛速提升，機床作為裝備制造的基礎，也顯現了巨大發展，各種多軸聯動檢測裝備、大型高精度加工裝備應運而生。光柵尺是閉環伺服控制系統中常見的一種位移傳感器，可作為直線位移和角度位移反饋，根據測量原理不同，可分為絕對式光柵尺和增量式光柵尺[1]。

應用絕對式光柵尺，設備上電后就可得知位置信息，控制系統設計簡單，但工藝制作復雜，使用成本較高[2-3]。傳統的增量式光柵尺是周期性的光柵刻線，只有間隔不變的“零點標記”刻度與增量計數刻度，結構簡單，在成本控制上具有極大優勢。其位置信息是通過計算自某計數起點開始的增量數而獲得。這個計數起點無法獲取當前坐標相對機床坐標的絕對位置信息，需要設置實際的位置參考點來確定，俗稱回零方法。此種方法存在一定局限性，特別是針對長行程進給軸的大型數控機床[4-7]，單一參考點在回零運動時，需要返回參考點，給操作帶來極大不便，單軸往復運動更易造成加工事故。若增加參考點，控制系統較為復雜，容易造成回零位置偏差，產生質量事故[8]。

帶距離編碼參考標記的增量光柵尺相對于傳統光柵尺，增加了位于“零點標記”之間的“距離編碼參考標記”刻度，距離編碼參考標記的間隔一般比零點標記的間隔大一個柵距，使得它與相鄰零點標記的相對位置產生變化，控制系統可根據這一變化來區分當前增量計數脈沖在光柵尺上的實際位置[9]。這種方式使得系統運動一小段距離后可重新讀取絕對位置，操作便捷，系統設計簡單，精度較高，成本相對較低[10]。

西門子公司SIMOTION 系統繼承了該公司生產數控加工機床設備高精度、高可靠性、高穩定性的特點，同時在系統外圍搭建及組成、程序控制等方面提供了非常高的靈活性，非常適合于非標多軸聯動設備的運動控制[11-13]。SIMOTION 運動控制器系統，不能直接通過設置來實現機床回零功能，需要編程來實現讀取當前的絕對位置。綜上所述，帶距離編碼光柵尺在SIMOTION 系統上的應用研究十分必要。

為此，本文提出一種通用的帶距離編碼光柵尺回零算法，并應用在西門子的SIMOTION D435 控制器中。

1 帶距離編碼光柵尺回零算法

帶距離編碼光柵尺原理為每組兩個參考點位置相同，相鄰兩個參考點跟隨距離變換增加一個固定位移[14]，所以只要軸任意移動超過兩個零點標記間隔就能得到機床的絕對位置。

通過讀取每個零位編碼標記間隔來找出其中規律，設每個零位標記的讀數值為Li（i=0,1,2….n），通過讀取會發現每個相鄰讀數值的相減結果即Li+1-Li（i=0,1,2….n）均為不同值，這也是帶距離編碼的增量光柵與普通增量光柵的本質區別，本文中暫時將這種不等距間隔稱為特征間隔ΔLi。通過程序識別這個特征間隔，與實際位置距離建立數學關系，就可以獲得絕對位置公式如下所示：

式中：B 為控制系統的倍頻系數；N 為所選光柵尺兩個固定參考點間名義增量值（用信號周期值表示）；M為所選光柵尺兩個固定參考點間的實際值；m0為所選光柵尺第一個距離編碼位的實際值；m1為光柵尺對應的編碼刻線間距的實際值；m2為距離標記間隔；Δd 為軸設定偏移量。

如圖1 所示[15]，以FAGOR 的GOP 系列光柵尺為例（其信號周期長度為20μm，零點標記間隔為80mm，距離標記間隔為0.04mm）。系統從A 點經B 點至C 點，A 至B 檢測到距離為40.04mm，A 至C 距離為80mm，B 為軸參考點位置對應值為40.04mm；C 至D 距離為40.08mm，C 至E 間隔為80mm 不變，該位置為軸另一參考點位置，C 點對應光柵尺實際度數為80mm，D 點對應光柵尺實際度數為120.08mm。

圖1 帶距離編碼光柵尺參考刻線分布示意圖

光柵尺距離脈沖信號進入到控制系統中后進行四倍頻處理（針對SIMOTION D435 系統），再根據光柵尺刻線中兩個固定參考點增量值N（GOP 系列光柵尺此值為1000），可以得到以下結果：

通過計算歸納可得：

通過公式（4）得出以上特征間隔，就可以用特征間隔來計算實際距離。設特征間隔為-1 時對應0mm，2對應40.04mm，-2 對應80mm，3 對應120.08mm 等依次類推（根據系統需要設置零點位置），軸偏移量為65mm，得出特征間隔與絕對位置P 的對應關系為：

2 帶距離編碼光柵尺在SIMOTION 系統中配置

將帶距離編碼的光柵尺作為電機的第二編碼器配置到工藝軸，設置為閉環控制位置反饋。在SIMOTON 系統中將零點標記配置為距離零位編碼標記，并輸入相應等距離間隔參數和柵格距離參數，如圖2 所示。回零功能需要讀取和修改驅動軸r497參數，該參數屬于西門子不公開維修級參數，一般情況下不允許使用者讀取修改。

圖2 SIMOTION 系統中帶距離編碼光柵尺配置圖

針對此問題，程序中加入授權程序模塊：先將訪問級別參數設置為四級維修級；寫入驅動參數，針對P3950 參數加入密碼輸入程序；根據報文地址中P496 對應的地址位，將該參數值設為32，定義r0497參數為零位位置脈沖值；讀取r0497 參數，用于回零操作位置標定值計算。

建立MCC 回零子程序塊，程序使能軸開始正向低速運動；檢測到第一個零位信號后，選用動態回零模式將當前位置值置零；連續記錄第二個和第三個回零信號位置脈沖值；停止軸運動，根據計算公式和運動位置共同標定當前位置值，完成回零操作，流程圖如圖3 所示。

圖3 回零程序流程圖

3 結論

本算法已應用于某雷達罩電厚度五軸聯動測試設備，該設備以SIMOTION D435 運動控制器為控制系統，采用帶距離編碼光柵尺作為各軸位置反饋。實際測試結果理想，系統開機在任意位置都可通過移動小于120mm（該軸為直線軸，軸長3200mm）或45°（旋轉軸）等較短距離準確獲得當前絕對位置，極大提高了設備使用效率，降低了系統回零運動產生的干涉現象。