董升忠
摘要:隨著科技的發(fā)展,對(duì)機(jī)械產(chǎn)品加工的精度要求是越來越高,機(jī)床對(duì)光柵尺的安裝將會(huì)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(shí)會(huì)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(dòng)器;全閉環(huán);光柵尺
中圖分類號(hào):TN773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):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(duì)機(jī)床位置進(jìn)行直接測(cè)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(cè)量時(shí),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(cè)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(dòng)器 MDS-D-SP-160? ? ? ? ? ? ? ? ? 1件
6)伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)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(cè)量長(zhǎng)度2640mm 1件
2)Y軸光柵:GOP 1740-5? ? 有效測(cè)量長(zhǎng)度1740mm? ?1件
3)Z軸光柵:GOP 1040-5? ? 有效測(cè)量長(zhǎng)度1040mm? ?1件
以上光柵尺都是距離編碼式,輸出信號(hào)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(shí),各軸都考慮140mm的安全余量,避免機(jī)床超行程時(shí)損壞光柵。
同樣在選擇光柵時(shí),需要考慮對(duì)應(yīng)系統(tǒng)對(duì)光柵信號(hào)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(cè)量時(shí),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(cè)量誤差都是最小的??梢圆煌ㄟ^任何中間裝置即可對(duì)機(jī)床位置進(jìn)行直接測(cè)量。
直線光柵通常分為:透射式玻璃光柵(測(cè)量長(zhǎng)度在3m以內(nèi))和反射式鋼帶光柵(測(cè)量長(zhǎng)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(dòng)并讀取兩相鄰的參考點(diǎn)信號(hào)就可以確認(rèn)機(jī)床當(dāng)前位置與機(jī)床零點(diǎn)的相對(duì)距離值,實(shí)現(xiàn)“回零”。采用距離編碼式參考點(diǎn)信號(hào),機(jī)床只需移動(dòng)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(duì)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(hào)周期:20μm
基本參考標(biāo)記間隔(d):20mm(對(duì)應(yīng)#2330=20)(G/S尺=20mm,L尺=80mm)
參考標(biāo)記輔助間隔:20μm(對(duì)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(dòng)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(hào)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(shí)需要用到#2317(擴(kuò)展分辨率):
當(dāng)#2317==0時(shí),#2219設(shè)定范圍為:0-32767(kP)
當(dāng)#2317≠0時(shí),#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(shí),請(qǐng)?jiān)O(shè)定#2317=-1。
4? 實(shí)施過程
4.1 光柵與驅(qū)動(dòng)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(cè)器分辨率
#2317=4? ? ? ? ?擴(kuò)展位置檢測(cè)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(cè)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(duì)位置檢測(cè)參數(shù)
#2034=0? ? ? ? ? 絕對(duì)光柵尺位置偏置
#2035=44? ? ? ? 檢測(cè)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿正向一個(gè)螺距,再反向轉(zhuǎn)回一個(gè)螺距:觀察實(shí)際反饋值變化是否連續(xù),且回到轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)飛車,再釋放急停進(jìn)行測(cè)試。
以上參數(shù)全部正確設(shè)定完成后,X軸手動(dòng)方式可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。建議先低速移動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí),機(jī)械坐標(biāo)將歸零,同時(shí)A3報(bào)警消除。
注:當(dāng)#2035=0時(shí),不會(huì)執(zhí)行回參考點(diǎn)動(dòng)作;
當(dāng)#2035=1~43時(shí),執(zhí)行回參考點(diǎn)動(dòng)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(duì)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(dòng)到機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn),將移動(dòng)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(duì)各軸都需要進(jìn)行原點(diǎn)返回,才能確認(rèn)機(jī)床的絕對(duì)位置坐標(biāo)。
目前三菱不支持5V TTL 差動(dòng)信號(hào)的距離碼光柵尺,在選擇距離碼光柵尺時(shí),請(qǐng)選擇正余弦1Vpp信號(hào),并追加MDS-B-HR-11信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。建議最好選擇三菱串行協(xié)議的絕對(duì)尺光柵,無需MDS-B-HR-11信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊,不僅調(diào)試更為簡(jiǎn)便,還可以降低一些成本。
5? 結(jié)束語
此臺(tái)高速龍門銑,機(jī)床廠在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí),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(chǎng)安裝進(jìn)行的相當(dāng)順利。
現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試運(yùn)行,低速、高速運(yùn)轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)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(cè)試,最終符合設(shè)計(jì)并達(dá)到需求。
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