距离编码直线光栅尺在数控机床上的应用
2021-09-03薄永柱1 刘永吉2 李忠玮3
（1. 沈阳机床股份有限公司沈一车床厂；2. 沈阳机床股份有限公司；3. 中捷机床有限公司）
摘 要：随着对数控机床加工精度的要求越来越高，使用电机编码器作为位置反馈的方式已经不能满足精度需求。使用光栅尺构成的全闭环控制方式可以实现高精度和精度稳定性。本文首先介绍了海德汉光栅尺的原理。之后给出了在FANUC 数控系统上的应用方法。
关键词：数控机床；光栅尺；应用
数控机床广泛运用于加工、石油、汽车等领域，是工业企业提高技术水平的有效手段，也是未来发展所需。数控机床的精度直接影响到加工零件的精度，普通伺服电机上安装的编码器精度不高，不适于高精加工的要求，为了满足高速高精的要求，我们在数控机床上安装了用于检测位置的光栅尺。被放置在滑板上的光栅尺包含了进给机构全部的机械环节，不存在额外的机械部件产生的误差，因此光栅尺可以检测出机械传动过程中的误差，并能在控制系统电路中给予修正，它可以消除以下潜在的误差源 ：①由于滚珠丝杠温度特性导致的位置误差。②反向间隙。③滚珠丝杠螺距误差的运动特性误差。因此，光栅尺已成为满足高精度定位和高速加工机床不可或缺的必备条件。本文以海德汉距离编码直线光栅尺为例，介绍了在 FANUC 数控系统上的应用方法。
1 距离编码光栅尺简介
（1）光栅尺的简介。作为位置检测元件，光栅尺是以光栅栅距为基准对位置进行测量。一般的光栅尺是根据莫尔条纹的原理进行测量的。光栅尺通常由标尺及读数头等部件构成。通常情况下，标尺安装在机床的固定部件上，读数头则安装在运动部件上。在读数头中装有指示光栅。
（2）距离编码原理。通常情况下进给轴需要安装返回参考点所需的减速开关，但是当使用距离编码参考点标志的直线光栅尺时就不需要这种减速开关，并可以实现返回参考点。这样在实际使用中，特别是对于行程较长的进给轴，就非常方便。距离编码参考点标志的位置测量元件的基本原理是采用两组参考标志通道，其中一个是标准栅格标志通道，另一个是与前一个平行的带距离编码参考点标志通道。每通道中的两个参考点标志之间的距离相同，但两通道之间两个相邻参考点标志的距离是变化的，每运动一段距离后增加一个固定值。通过这个距离，进给轴就可以确定所处的位置，具体原理如下图所示：
图1 光栅尺判断位置示意图
如上图所示，当读数头从标尺的A点，途径B点，运动到C点后，CNC根据检测到数据为10.02判断进给轴目前在哪个参考点位置。同样的，读数头从标尺的B点，途径C点，移动到D点后，CNC根据检测到的数据是10.04就可判断进给轴目前在哪个参考点位置，因此想要判断进给轴的位置，只需其移动任意超过两个参考点距离就可实现。带距离编码光栅尺具备普通光栅尺没有的优点，特别是在大型机床上更加显著，例如回参考点的速度更快，并可在两个方向回参考点，这很好地解决了某些特殊机床不适合移动轴全程回参考点的问题。
2 光栅尺的在FANUC系统上的应用
下面将以海德汉公司的带距离编码参考点标志光栅尺在 FANUC 数控系统上的应用为例，介绍具体应用方法。
2.1 相关参数设定
在发那科数控系统中使用带距离编码的海德汉光栅尺，需进行如下参数的设置 。通过参数 1815 的位（OPT）和参数 1815 的第二位（DCL）设置光栅尺使用类型。
参数 1802 的位（DC4）。
参数 1821 ：用于设置 Mark1 相邻两个标准参考点标志栅格间距。
参数 1882 ：用于设置 Mark2 相邻两个标准参考点标志栅格间距。
参数 1883 ：用于设置光栅尺理想的原点与参考点之间的距离。
以海德汉公司的 LB382C 型光栅尺为例，参数设置如下所示。可以看出相邻两个 Mark1 之间的距离为 50mm，相邻两个 Mark2 之间的距离50.020mm. 相关的参数设置为 ：将参数 1802 的位（DCL）设置为 0，即使用三参考点的方式检测回零点。
参数 1821 设置为 50000，其单位为数控系统的Z小检测单位。
参数 1882 设置为 50020，其单位为数控系统的Z小检测单位。
参数 1883 设置 1，即机床重新上电后回零。
机床重新上电后通过 3 次移动计算坐标零点的位置。
参数 1883 设置完成后就建立了进给轴的参考点。断电后再上电就需执行回零操作，进给轴走停 3 次后，根据光栅尺的检测数据计算出当前位置的机械坐标?坐标。并给该进给轴的机械坐标和坐标进行赋值，无需把回零操作完全执行结束，就能建立进给轴参考点。类似于式编码器的回零方式。
2.2 控制方式
（1）按照上述方式对相关参数进行设置。
（2）确认机床的位置 ：因为两个通道的参考点标志之间的距离是不同的，系统可以准确地判断出进给轴所处的是哪一个参考点，并计算出进给轴的位置，但这个位置并不一定是机床原点，所以还需要通过一个原点偏移参数来计算。参数 1883 就是这样的参数，该参数的设置值就是参考点到机床原点的距离。
通过以上的设置就完成了带距离编码参考点标志光栅尺在 FANUC 数控系统中的应用。
3 结 语
具有长行程进给轴的大型数控机床，在安装了带距离编码参考点标志的直线光栅尺后，极大方便了日常的使用和操作，如可以以更快的速度返回参考点 ；可在两个方向进行回零。
在某些特殊情况下，如带中心架的车床，原来 Z 轴回零操作比较繁琐，但是应用带距离编码参考点标志的直线光栅尺后，这个问题就很好地解决了。
来源：《世界有色金属》 2018年第22期