距离码光栅尺在数控机床中的应用

■河南平原光电有限公司 （焦作 454001） 王玉功 梁 兵

距离码光栅尺在数控机床中的应用

■河南平原光电有限公司 （焦作 454001） 王玉功 梁 兵

摘要：分析使用带距离编码参考点标志的线性测量系统的好处、工作原理、安装调整及在几种常用的数控系统的应用方法与故障排除。

近几年，使用距离码光栅尺的数控机床正逐渐增多。这种光栅尺带有距离编码参考点标志（distance-coded reference），使用带距离编码参考点标志的线性测量系统，可以不必为返回参考点而在机床上安装减速开关，并返回一个确定的机床参考点，因此也可以把这种回参考点方式称为半绝对，这样在实际使用中可以带来了许多方便。

光栅尺的安装和调整

在安装和调整时必须注意以下几个要点：主尺与读数头间的间隙、主尺与导轨的平行度，并采取防污染措施。一般安装时，将主尺固定在工作台上，读数头固定在床身上，避免由于读数头的移动，带动读数头信号线，从而容易产生线破损或者接触不良的故障，应尽可能使读数头安装在主尺的下方，主尺口向下可以防止切屑、切削液及油液的污染。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。安装前要检查主尺安装面与导轨的平行度，一定要在0.1mm/1 000mm以内；读数头的基座与尺身的基座总共误差一般≤±0.1mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度

≤0.1mm，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1.1mm左右（根据光栅尺的说明书确定）。

工作原理

带距离编码参考点标志的线性测量系统的原理是采用包括一个标准线性的栅格标志和一个与此相平行运行的另一个带距离编码参考点标志通道，每组2个参考点标志的距离是相同的，但两组参考点标志间距离不同，使得两组之间2个相邻参考点标志的距离是可变的，因此，如果设定一个基准点，数控轴可以根据距离来确定其所处的绝对位置，如图1所示。

JENA公司LIS73-1 A 141 F光栅尺为例，如从基准点M点移动到O，中间经过N点，系统检测到10.02就知道轴现在是在哪一个参考点位置；同样从N点移动到P，中间经过O点，系统从O点到P点的距离是10.04mm就知道轴现在是在哪一个参考点位置，所以只要轴任意移动超过2个参考点距离（20mm）就能得到机床的绝对位置。例如点M、U距离为35mm，当从M点移动时，如果检测到2个标志间距离为10.04mm时，就认为到了P点，再往前移动4.96（35-20-10.04=4.96）mm就到了U点。

图1

图2

距离码光栅尺在几种数控系统的应用

1. 在FANUC数控系统0i-C中应用

（1）参数设定。

1815#1OPT闭环控制时设为1

1815#2DCL使用距离码光栅尺为1（光栅尺选择了带距离编码参考点标志的直线光栅尺。在使用圆光栅时1815#1 #2 #3均要设定为1）

802#1DC4参考点回零检测的次数（为0时检测3次）

1821相邻2个Mark1之间的距离也就是直线光栅尺标准参考点标志栅格间距

1882相邻2个Mark2之间的距离（也就是2个相邻参考点间的标准距离加上一个固定距离，不同厂商说明书标法不同）

1883假想的光栅尺原点与参考点之间的距离（用来修改参考点）

光栅尺接口单元即SDU单元作为从属装置，紧靠放大器从属装置的参数设置为16（例如3个NC轴，则1913设置为16，若4个NC轴1914设置为16）

2084柔性进给传动比分子

2085柔性进给传动比分母

2185位置脉冲变换系数[实际传动比=2084#/（2085#×2185#）]

2023速度脉冲数

2024位置脉冲数

1905#6 设为1使用一个SDU单元

905#7若使用第二个SDU单元设为1（多于4个轴使用光栅尺时1905#7设为1）

1320正向软极限

1321负向软极限

以图2光栅尺为例的参数设置：

首先进行伺服参数设定2083、2084、2085、2020、2024、1020和1023等参数设定；接着进行FSSB设定，从属设备的设置。

相邻2个Mark1之间的距离20mm；相邻2个Mark2之间的距离20.2mm。

相应参数设置如下：

1815#11

1815#21

1802#1DCL （设置为0 使用3参考点检测回零点）

182120000（最小检测单位µ）

188220200（最小检测单位µ）

1883（上电后回零，机床会移动3次自动计算零点的坐标位置）

填写到1883即可建立参考点。断电后再上电执行回零操作，该轴走停3次（或4次，参数1802#1设定为1），根据光栅尺反馈回来的数据自动计算出该位置的绝对坐标和机床坐标，并对

该轴的绝对坐标和机械坐标进行赋值。由于这种回零只需短距离回零操作即可，因此称之为半绝对式。

（2）操作。①第一步：按照上面办法设定参数（1883先设定为0，软极限范围足够大或者参数1320为1、参数1321为-1取消软极限）。②第二步：确认机床绝对位置。由于2个参考点标志之间的距离是可变的，这样系统就可以准确地识别轴所处在的是哪一个参考点并计算出实际位置，但这个位置可能并不一定是你所需的机床基准点值，所以还必须有一个基准点偏移参数来参与计算。设定1883#就可以完成这一步，实际上1883#中设定的值就是测量系统中的第一个参考点到机床基准点的距离。如果与要求的坐标不同，修改参数1883#之值。③第三步，根据机床行程设定软极限。

（3）故障排除。①无法进行回零操作。检查回零的速度，手动快速速度是否正常设定。如果速度低，将产生90#报警，必须提高速度。②无法正常走停。检查光栅尺的反馈信号是否存在干扰。③417#报警。属于光栅尺的参数设定，按照光栅尺的规格进行正确设定。出现该报警时，检查系统自诊断中的280#，排查问题的出处。④445#报警，即软断线报警。主要是光栅尺的读数头与光栅尺尺体的安装上达不到要求，请注意光栅尺厂家提供的安装要求，也可通过下述办法解决。2003#1：由0设为 1；2064：增大4的整数倍。如果还有445#报警，需要重新安装、检查光栅尺。注意：参数2064值不能太大，否则可能烧毁元件。

2. 在西门子828D系统中的应用

（1）参数设定。

MD30200=2（编码器数量，带光栅尺：定为2）

MD30240=2（编码器类型：1：增量式；2：距离码；4：绝对值）

MD31000=1（编码器是否线性的。0：编码器；1：光栅尺）

MD31040=1（是否采用闭环控制。0：半闭环；1：闭环）

MD34000=0（是否使用凸轮减速开关。0：不用；1：用）

MD34010（回参考点方向。0：正；1：负）

MD34020（回参考点速度）

34040 （寻找零脉冲速度）

MD34090 （回参考点偏移值）

MD34060（返参考点最大移动距离=2×标准参考点标志间距）

MD34200=3 （回零模式）

M D34300（标准参考点标志间距）

MD34310 （两组参考标志距离差值）

MD36100（负向第一软极限）

MD36110 （正向第一软极限）

驱动数据P426[1]光栅尺的倍频数

（2）操作。驱动系统中驱动数据的设置：

首先根据以上操作步骤进入轴驱动参数配置，在“驱动-概览”画面选择“更改”，在“驱动配置-电动机”画面选择下一步。从而进入“驱动配置-编码器”分配画面，勾选编码器2，从列表中选择编码器2对应的SMC接口。在此画面中选择下一步，出现“驱动配置-載要”画面出现，选择完成；接着选择光栅类型。为此，将驱动参数P10置4，进入驱动参数调试状态。选择编码器类型编号P0400[1]为9999，即光栅自定义。

再一步设置编码器型号P404[1]，根据光栅信号类型按位选择；根据所用光栅选择P424距离码光栅零脉冲信号的间距。最后把P410[1]改回0，选择“保存/复位”→“保存”→“驱动设备”，屏幕出现“驱动Control Unit（1）已备份”字样，从而保存了所完成的配置参数。

注意如果编码器反向，不要修改MD32110，而要改P410[1]为3，否则会影响动态刚性性能，如果有细分倍数还要把细分倍数填入P426[1]。

（2）N C参数的设置。①按菜单选择键，接着选择“调试”软键，再选择“机床数据”软键。②选择“轴数据”，根据那一个轴选择“轴+”或“轴-”。根据以上参数说明设置对应参数（MD34090先设为0）。设置参数以后，在回参考点方式，就可以执行相应轴回参考点动作。

通过机床控制面板进入JOG 和REF方式，按住回参考点轴的方向键控轴将以MD34040（参考点爬行速度）所设定的速度搜索参考点标志。直到出现，相应的轴就回到了参考点。

在回参考点过程中出现“20003测量系统错误”的报警。是由于机床移动了参数MD34060设定的距离还没有找到参考点。

处理办法：确定2个奇数参考点标志之间的距离（参考点标志间隔）。该值必须输入到机床数据34300 ENC_REFP_MARKER_ DIST 中。

在回参考点过程中，如果出现“20004 缺少参考点标志”的报警。是由于机床移动了参数MD34300设定的距离，数控系统还没有找到2个变距离的参考点标志。处理办法：确定2个奇数参考点标志之间的距离（参考点标志间隔）。该值必须输入到机床数据34060 REFP_MAX_MARKER_ DIST 中，如果坐标值不是理想的值，可以修改参数MD34090之值来满足需要。

偏移量＝实际位置-线性测量系统的实际位置，把偏移量输入参数MD34090。

3. 在海德汉iTNC530中的应用

（1）参数设定。

MP20.0距离码光栅尺标志的绝对位置

MP20.1监视编码器的幅度

MP110.X相应轴光栅尺接口（没有光栅尺为0）

MP112相应轴电动机编码器接口

MP210.0位置编码器计数方向（0正、1负）

MP331电动机一圈对应的距离。半闭环：丝杠螺距×减速比。直线光栅尺的信号周期MP332直线光栅尺刻线数为或电动机一转的脉冲数

MP334 2个固定参考点间的名义增量距离 MP340 细分倍数

M P115 光栅尺信号类型（0：1Vpp，1：11µApp）

MP115.2光栅尺信号的输入频率

MP910正向行程软极限

MP920负向行程软极限

MP1320回参考点方向

MP960修改机械坐标系

1330移向参考点标志的速度

1040电动机编码器计数方向（电动机旋转方向）

1340回参考点顺序（不回参考点为0）

1350为3（使用距离码光栅尺）

例如，图1所示光栅尺，两组参考标志距离差值为0.02m m，参考点间标准距离为20m m，则需要设M P331. X=0.02，MP332.X=1，MP334. X=20mm/0.02mm=1 000。

（2）操作：根据以上说明设定参数（参数960先设为0，软极限足够大），执行回参考点。如果机械坐标值不对，可以修改参数960的值。偏移量＝实际位置-线性测量系统的实际位置。把偏移量输入参数960，再根据机床行程设定软极限。

如果移动距离超过2倍的mask2间的距离，将产生错误的参考点标志报警。如果光栅尺安装不正确，使得光栅尺信号有些弱，将产生测量系统报警，降低检测幅值，可以减小MP20.1参数之值，使得报警消除；如果产生静态误差过大报警，可能是正反馈，要调整1040或210值；如果方向相反，要同时修改1040和210的数值。

结语

大型数控机床由于其数控轴移动距离比较长，如果使用一般的光栅尺，回参考点只能向一个固定位置移动，非常不方便。如果安装了距离码光栅尺，2个方向都可以进行操作，能够更快地完成返回参考点操作。

参考文献：

[1] 海德汉公司. iTNC530简明调试手册[E]. 2009.4

[2] 西门子公司. SINUMERIK 828D/828D BASIC简明手册[E]. 2012.1

收稿日期：（20141220）