薄永柱¹　劉永吉²　李忠瑋³

（1. 沈陽機(jī)床股份有限公司沈一車床廠；2. 沈陽機(jī)床股份有限公司；3. 中捷機(jī)床有限公司）

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，其中一個是標(biāo)準(zhǔn)柵格標(biāo)志通道，另一個是與前一個平行的帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)志通道。每通道中的兩個參考點(diǎn)標(biāo)志之間的距離相同，但兩通道之間兩個相鄰參考點(diǎn)標(biāo)志的距離是變化的，每運(yùn)動一段距離后增加一個固定值。通過這個距離，進(jìn)給軸就可以確定所處的位置，具體原理如下圖所示：

圖1　光柵尺判斷位置示意圖

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)給軸目前在哪個參考點(diǎn)位置，因此想要判斷進(jìn)給軸的位置，只需其移動任意超過兩個參考點(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 的位（DC4）。

參數(shù) 1821 ：用于設(shè)置 Mark1 相鄰兩個標(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?？梢钥闯鱿噜弮蓚€ Mark1 之間的距離為 50mm，相鄰兩個 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Z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Z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)?坐標(biāo)。并給該進(jìn)給軸的機(jī)械坐標(biāo)和坐標(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)床的位置 ：因?yàn)閮蓚€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參考點(diǎn)，并計(jì)算出進(jìn)給軸的位置，但這個位置并不一定是機(jī)床原點(diǎn)，所以還需要通過一個原點(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，這個問題就很好地解決了。

來源：《世界有色金屬》 2018年第22期