三菱數(shù)控發(fā)格距離碼光柵在M720上的應(yīng)用

董升忠

摘要：隨著科技的發(fā)展，對機械產(chǎn)品加工的精度要求是越來越高，機床對光柵尺的安裝將會越來越多。光柵尺就充當了獨立于機床外的監(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數(shù)控系統(tǒng)要求的位置。增加光柵尺能增加直線軸運行的準確性，但不能取代機械的精度;如果直線軸的幾何精度很差，反向間隙很大，使用光柵尺不但達不到應(yīng)有的目的，反而在運行時會出現(xiàn)震蕩，甚至誤差過大報警，無法正常運轉(zhuǎn)。數(shù)控機床的機械精度是必要條件，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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0096-03

0? 引言

數(shù)控機床安裝光柵尺，可以不通過任何中間裝置即可對機床位置進行直接測量。當光柵尺直接安裝在機床基面（平行于導(dǎo)軌）上并正常測量時，機床的實際位移被直接反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這樣由于機械熱膨脹、絲杠螺距誤差、反向間隙等機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 SJ-DL7.5/150-01T （S）? ? ? ? ? ? ?1件

8）伺服電機 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床基面（平行于導(dǎo)軌）上并正常測量時，機床的實際位移被直接反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這樣由于機械熱膨脹、絲杠螺距誤差、反向間隙等機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床位置進行直接測量。

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

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

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

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

3.2 位置分辨率計算說明

該機床X螺距=12mm，Y/Z=10mm，機械傳動比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（計算說明）：

位置分辨率=12mm/（20μm/512）=307200

由于#2219默認單位（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（擴展分辨率）：

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

當#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：當計算結(jié)果商數(shù)=0時，請設(shè)定#2317=-1。

4? 實施過程

4.1 光柵與驅(qū)動電纜連接（圖3）

4.2 光柵調(diào)整過程

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

4.2.1 全閉環(huán)參數(shù)開啟

#2218=12? ? ? ? ?機床X軸絲桿螺距12mm

#2219=45056? ? 位置檢測器分辨率

#2317=4? ? ? ? ?擴展位置檢測分辨率

#2330=20? ? ? ? 基本參考標記間隔（mm）

#2331=20? ? ? ? 參考標記輔助間隔（μm）

#2225=A20B? ? 電機/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 確認反饋極性

以上參數(shù)設(shè)定完成后，必須關(guān)機重啟;

#2217.4： fdir位置反饋極性（ 0-正極;1-負極）

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，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，手動旋轉(zhuǎn)絲杠，觀察實際反饋值變化，確認以下兩點：

①反饋值與實際運動方向一致，如果不一致，修改#2217參數(shù)后，開機再次驗證;

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。

確認以上兩點，就不會飛車，再釋放急停進行測試。

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轉(zhuǎn)。建議先低速移動全行程，再高速運轉(zhuǎn)，避免因光柵安裝不當而造成損壞。

4.2.4 距離碼光柵尺原點設(shè)定確認

①#2337=-1，進入絕對位置比較初始設(shè)定模式，出現(xiàn)S52 A3報警。

②選擇“回參考點”模式，根據(jù)X軸返回方向手動回參考點，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，當距離碼光柵原點確立時，機械坐標將歸零，同時A3報警消除。

注：當#2035=0時，不會執(zhí)行回參考點動作;

當#2035=1～43時，執(zhí)行回參考點動作有可能失敗。

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)束距離光柵原點初始設(shè)定。

4.2.5 機床原點設(shè)定確認

由于在原點初始設(shè)定模式中所設(shè)定的原點不是機床的機械原點，所以需要進行原點偏移的設(shè)定;用手輪將X軸移動到機床的機械原點，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開機對各軸都需要進行原點返回，才能確認機床的絕對位置坐標。

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，機床廠在機械設(shè)計時，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)場安裝進行的相當順利。

現(xiàn)場調(diào)試距離碼光柵尺參數(shù)，雖然步驟繁瑣，進行的還是也比較順利，最終測試運行，低速、高速運轉(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高，后期做了加工測試，最終符合設(shè)計并達到需求。

參考文獻：

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