董升忠

摘要：隨著科技的發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品加工的精度要求是越來越高，機(jī)床對光柵尺的安裝將會越來越多。光柵尺就充當(dāng)了獨(dú)立于機(jī)床外的監(jiān)督功能，一直“監(jiān)視”著直線軸的位置，保證了直線軸能到達(dá)數(shù)控系統(tǒng)要求的位置。增加光柵尺能增加直線軸運(yùn)行的準(zhǔn)確性，但不能取代機(jī)械的精度;如果直線軸的幾何精度很差，反向間隙很大，使用光柵尺不但達(dá)不到應(yīng)有的目的，反而在運(yùn)行時會出現(xiàn)震蕩，甚至誤差過大報(bào)警，無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械精度是必要條件，在此基礎(chǔ)上光柵尺才能錦上添花。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng);伺服驅(qū)動器;全閉環(huán);光柵尺

中圖分類號：TN773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0096-03

0? 引言

數(shù)控機(jī)床安裝光柵尺，可以不通過任何中間裝置即可對機(jī)床位置進(jìn)行直接測量。當(dāng)光柵尺直接安裝在機(jī)床基面（平行于導(dǎo)軌）上并正常測量時，機(jī)床的實(shí)際位移被直接反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這樣由于機(jī)械熱膨脹、絲杠螺距誤差、反向間隙等機(jī)械問題引起的測量誤差都是最小的。

1? 選型配置

①該龍門高速機(jī)的M720數(shù)控系統(tǒng)硬件配置如下：

1）數(shù)控系統(tǒng) FCA720P-4VS（M720 CNC）? ? ? ?1件

2）顯示屏? DU140（10.4寸彩顯）? ? ? ? ? ? ? ? ?1件

3）鍵盤單元 KB047（字母全鍵盤）? ? ? ? ? ? ? ?1件

4）輸入輸出單元 DX710（64DI/64DO）? ? ? ? ? 1件

5）主軸驅(qū)動器 MDS-D-SP-160? ? ? ? ? ? ? ? ? 1件

6）伺服驅(qū)動器 MDS-D-V1-320? ? ? ? ? ? ?   ? 1件

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?MDS-D-V2-160160W? ? ? ? ? ?1件

7）主軸電機(jī) SJ-DL7.5/150-01T （S）? ? ? ? ? ? ?1件

8）伺服電機(jī) HF903S-A48 （X）? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1件

HF703S-A48 （Y）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1件

HF703BS-A48 （Z）? ? ? ? ? ? ? ? ? 1件

9）信號轉(zhuǎn)換模塊 MDS-B-HR-11? ? ? ? ? ? ? ? 3件

②該龍門高速機(jī)選配發(fā)格公司的光柵尺，具體配置如下：

1）X軸光柵：GOP 2640-5? ? ?有效測量長度2640mm 1件

2）Y軸光柵：GOP 1740-5? ? 有效測量長度1740mm? ?1件

3）Z軸光柵：GOP 1040-5? ? 有效測量長度1040mm? ?1件

以上光柵尺都是距離編碼式，輸出信號為正余弦1Vpp，精度±5μ/m，分辨率Up to 0.1μ。

該龍門的三軸行程為X=2500mm，Y=1600mm，Z=900mm，選擇光柵時，各軸都考慮140mm的安全余量，避免機(jī)床超行程時損壞光柵。

同樣在選擇光柵時，需要考慮對應(yīng)系統(tǒng)對光柵信號輸出的要求。

2? 課題描述

光柵尺直接安裝在機(jī)床基面（平行于導(dǎo)軌）上并正常測量時，機(jī)床的實(shí)際位移被直接反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這樣由于機(jī)械熱膨脹、絲杠螺距誤差、反向間隙等機(jī)械問題引起的測量誤差都是最小的?？梢圆煌ㄟ^任何中間裝置即可對機(jī)床位置進(jìn)行直接測量。

直線光柵通常分為：透射式玻璃光柵（測量長度在3m以內(nèi)）和反射式鋼帶光柵（測量長度3m以上）;直線光柵尺結(jié)構(gòu)圖及原理如圖1和圖2。

次高速龍門的最大行程都在3m以內(nèi)，選擇的光柵尺都是玻璃光柵。

3? 課題分析

距離編碼式光柵尺上的參考標(biāo)記I0：是按照預(yù)定的數(shù)學(xué)公式刻上去的。機(jī)床移動并讀取兩相鄰的參考點(diǎn)信號就可以確認(rèn)機(jī)床當(dāng)前位置與機(jī)床零點(diǎn)的相對距離值，實(shí)現(xiàn)“回零”。采用距離編碼式參考點(diǎn)信號，機(jī)床只需移動非常短的距離就可實(shí)現(xiàn)回零操作，因此其被廣泛應(yīng)用于大行程機(jī)床上。

3.1 距離碼光柵尺技術(shù)參數(shù)

要與系統(tǒng)對接，先要搞清楚發(fā)格GOP光柵的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

通過了解GOP類型光柵參數(shù)規(guī)格，得出調(diào)試所需的以下重要數(shù)據(jù)：

增量信號周期：20μm

基本參考標(biāo)記間隔（d）：20mm（對應(yīng)#2330=20）（G/S尺=20mm，L尺=80mm）

參考標(biāo)記輔助間隔：20μm（對應(yīng)#2331=20）（G/S尺=20μm，L尺=40μm）

3.2 位置分辨率計(jì)算說明

該機(jī)床X螺距=12mm，Y/Z=10mm，機(jī)械傳動比1：1。

①半閉環(huán)：#2219=260（A48編碼器），#2317=0;

②全閉環(huán)：位置分辨率=螺距mm/控制分辨率=螺距mm/（信號周期/512）。

X軸設(shè)定（計(jì)算說明）：

位置分辨率=12mm/（20μm/512）=307200

由于#2219默認(rèn)單位（kP/PIT），結(jié)果307200設(shè)定#2219=307.2，小數(shù)設(shè)定不允許的，這時需要用到#2317（擴(kuò)展分辨率）：

當(dāng)#2317==0時，#2219設(shè)定范圍為：0-32767（kP）

當(dāng)#2317≠0時，#2219設(shè)定范圍為：0-65535（P），注意單位變化;

我們可以理解#2317的設(shè)定單位為：65536（P）

位置分辨率/65536得出的商數(shù)設(shè)定到#2317，余數(shù)設(shè)定到#2219;

得出：位置分辨率=（商#2317）*65536+（余#2219）

即：307200=（商4）*65536+（余45056）

設(shè)定X軸：#2317=4（商數(shù)），#2219=45056（余數(shù)）

同樣Y/Z軸：

位置分辨率=10mm/（20μm/512）=256000=（3）*65536+（59392）

設(shè)定Y/Z軸：#2317=3，#2219=59392

注：當(dāng)計(jì)算結(jié)果商數(shù)=0時，請?jiān)O(shè)定#2317=-1。

4? 實(shí)施過程

4.1 光柵與驅(qū)動電纜連接（圖3）

4.2 光柵調(diào)整過程

機(jī)床各軸半閉環(huán)調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)順暢后，建議拍下急停按鈕，再進(jìn)行以下光柵尺的調(diào)整，在此以X軸為例進(jìn)行詳細(xì)說明：

4.2.1 全閉環(huán)參數(shù)開啟

#2218=12? ? ? ? ?機(jī)床X軸絲桿螺距12mm

#2219=45056? ? 位置檢測器分辨率

#2317=4? ? ? ? ?擴(kuò)展位置檢測分辨率

#2330=20? ? ? ? 基本參考標(biāo)記間隔（mm）

#2331=20? ? ? ? 參考標(biāo)記輔助間隔（μm）

#2225=A20B? ? 電機(jī)/檢測器類型（HF903：半閉環(huán)=220B，全閉環(huán)=A20B）

4.2.2 設(shè)定距離碼光柵參數(shù)

#2049=0? ? ? ? ? 絕對位置檢測參數(shù)

#2034=0? ? ? ? ? 絕對光柵尺位置偏置

#2035=44? ? ? ? 檢測光柵尺回參考點(diǎn)掃描最大距離=（#2330）*2*1.1

#2281.3=1? ? ? ? 距離編碼光柵尺有效

#2334-#2336=0? 絕對位置比較，數(shù)值清零

4.2.3 確認(rèn)反饋極性

以上參數(shù)設(shè)定完成后，必須關(guān)機(jī)重啟;

#2217.4： fdir位置反饋極性（ 0-正極;1-負(fù)極）

設(shè)定#2217=1080或1090（根據(jù)光柵安裝方向可能需要調(diào)整）

該參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，可能導(dǎo)致軸飛車，建議拍下急停按鈕，參數(shù)設(shè)定完畢后，再次開機(jī)，手動旋轉(zhuǎn)絲杠，觀察實(shí)際反饋值變化，確認(rèn)以下兩點(diǎn)：

①反饋值與實(shí)際運(yùn)動方向一致，如果不一致，修改#2217參數(shù)后，開機(jī)再次驗(yàn)證;

②手動轉(zhuǎn)動絲桿正向一個螺距，再反向轉(zhuǎn)回一個螺距：觀察實(shí)際反饋值變化是否連續(xù)，且回到轉(zhuǎn)動前的初始值，這樣可以確保光柵電纜連接的正確性。

確認(rèn)以上兩點(diǎn)，就不會飛車，再釋放急停進(jìn)行測試。

以上參數(shù)全部正確設(shè)定完成后，X軸手動方式可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。建議先低速移動全行程，再高速運(yùn)轉(zhuǎn)，避免因光柵安裝不當(dāng)而造成損壞。

4.2.4 距離碼光柵尺原點(diǎn)設(shè)定確認(rèn)

①#2337=-1，進(jìn)入絕對位置比較初始設(shè)定模式，出現(xiàn)S52 A3報(bào)警。

②選擇“回參考點(diǎn)”模式，根據(jù)X軸返回方向手動回參考點(diǎn)，X軸將根據(jù)前面設(shè)定的#2035=（#2330）*2*1.1=44（mm）距離內(nèi)去掃描光柵，當(dāng)距離碼光柵原點(diǎn)確立時，機(jī)械坐標(biāo)將歸零，同時A3報(bào)警消除。

注：當(dāng)#2035=0時，不會執(zhí)行回參考點(diǎn)動作;

當(dāng)#2035=1～43時，執(zhí)行回參考點(diǎn)動作有可能失敗。

③在NC伺服診斷中，監(jiān)視X軸的Rn、Pn、MPOS三項(xiàng)值，分別對應(yīng)設(shè)定到參數(shù)#2234、#2235、#2236中;

#2334=Rn、#2335=Pn、#2336=MPOS;最后設(shè)定#2337=0，結(jié)束距離光柵原點(diǎn)初始設(shè)定。

4.2.5 機(jī)床原點(diǎn)設(shè)定確認(rèn)

由于在原點(diǎn)初始設(shè)定模式中所設(shè)定的原點(diǎn)不是機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)，所以需要進(jìn)行原點(diǎn)偏移的設(shè)定;用手輪將X軸移動到機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)，將移動距離設(shè)定到#2034中，設(shè)定結(jié)束。

注：由于距離編碼光柵尺始終是增量式的，所以每次NC開機(jī)對各軸都需要進(jìn)行原點(diǎn)返回，才能確認(rèn)機(jī)床的絕對位置坐標(biāo)。

目前三菱不支持5V TTL 差動信號的距離碼光柵尺，在選擇距離碼光柵尺時，請選擇正余弦1Vpp信號，并追加MDS-B-HR-11信號轉(zhuǎn)換模塊。建議最好選擇三菱串行協(xié)議的絕對尺光柵，無需MDS-B-HR-11信號轉(zhuǎn)換模塊，不僅調(diào)試更為簡便，還可以降低一些成本。

5? 結(jié)束語

此臺高速龍門銑，機(jī)床廠在機(jī)械設(shè)計(jì)時，就考慮了光柵尺安裝要求：包括光柵尺安裝面精度的加工、光柵尺及讀數(shù)頭支架的安裝空間、光柵尺防護(hù)相關(guān)部件及反饋電纜走線槽的安裝。正是前期考慮的非常充分，現(xiàn)場安裝進(jìn)行的相當(dāng)順利。

現(xiàn)場調(diào)試距離碼光柵尺參數(shù)，雖然步驟繁瑣，進(jìn)行的還是也比較順利，最終測試運(yùn)行，低速、高速運(yùn)轉(zhuǎn)、驅(qū)動優(yōu)化都很順暢。

該高速龍門銑產(chǎn)品的精度和批量一致性要求相當(dāng)高，后期做了加工測試，最終符合設(shè)計(jì)并達(dá)到需求。

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