論絕對光柵尺

龔仲華

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164)

光柵尺(Linear Encoders)是全閉環(huán)位置控制數(shù)控機(jī)床最為常用的檢測器件之一，通過光柵尺的直接位置檢測，不僅可以減小反向間隙、滾珠絲杠制造誤差對機(jī)床精度的影響，而且能在一定程度上補(bǔ)償絲杠的熱變形，提高機(jī)床精度;使用絕對光柵尺，還可省略增量光柵尺所必需的開機(jī)回參考點操作，使操作更便捷。數(shù)控機(jī)床目前所使用的光柵尺有增量光柵尺、絕對光柵尺及帶“距離碼參考標(biāo)記”增量光柵尺3類，其結(jié)構(gòu)、特點、用途及使用方法各不相同，本文將對此進(jìn)行分析與說明。

1 增量光柵尺與絕對光柵尺

光柵尺是用于直線位移檢測的測量器件，其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計一般采用成像掃描與干涉掃描原理，柵距為20～40 μm的光柵尺通常采用成像掃描，而柵距為4～8 μm的光柵尺需要采用干涉掃描。光柵尺的位置檢測信號分增量計數(shù)輸出與絕對值輸出兩類，前者需要通過外部控制器(如CNC)計算輸出脈沖的數(shù)量來確定實際位置，稱增量光柵尺(Incremental Linear Encoders);后者的輸出信號可直接反映實際位置，稱絕對光柵尺(Absolute Linear Encoders)。

增量光柵尺的輸出信號為兩相計數(shù)脈沖(A/B相)與零脈沖(Z相)，零脈沖用來確定位置計數(shù)的參考點;A/B兩相計數(shù)信號用來確定相對位移與鑒別轉(zhuǎn)向。增量光柵尺的3相信號并行傳送，光電轉(zhuǎn)換信號經(jīng)整形與放大后的輸出為11 μApp的正余弦信號，它可通過內(nèi)置或外置的細(xì)分電路轉(zhuǎn)換成TTL脈沖或HTL脈沖輸出。光柵內(nèi)置細(xì)分電路的細(xì)分倍率為5～20，其檢測分辨率通常在微米級;外置式前置放大器的細(xì)分倍率可達(dá)400，檢測分辨率可達(dá)納米級;在特殊的測量儀器上，還可使用細(xì)分倍率高達(dá)216(65 536)的PC適配卡，使位置分辨率達(dá)到0.06～0.12 nm。使用增量光柵尺的數(shù)控機(jī)床必須通過“回參考點”操作來確定計數(shù)基準(zhǔn)與進(jìn)行實際位置“清零”。

絕對光柵尺可以直接輸出絕對位置。由于現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)軸需要有微米級甚至納米級測量分辨率與米級甚至幾十米的測量行程，如果采用多通道平行布置的物理編碼刻度，光柵尺的結(jié)構(gòu)將會比較復(fù)雜。以行程1 m的機(jī)床為例，若要達(dá)到0.1 μm的測量分辨率，就需要有107(約224)組位置編碼數(shù)據(jù)，采用平行布置的二進(jìn)制編碼就需要有24通道的光電轉(zhuǎn)換、放大、整形與輸出電路，這樣的光柵體積大、制造成本高。因此，絕對光柵尺一般都采用圖1所示的垂直編碼的物理刻度，利用寬度與柵距相等的集成式光電池來檢測絕對位置;為了提高位置分辨率，此類光柵尺往往附加有1 Vpp正余弦增量檢測通道，通過增量輸出信號的細(xì)分，位置分辨率可達(dá)0.005 μm。

絕對光柵尺的絕對位置需要通過串行接口輸出(如 EnDat2.2、PROFIBUS － DP、FANUC02、Mitsubishi Mit02－04等)，附加的增量信號則可直接輸出;故這樣的絕對光柵尺也可作為增量光柵尺使用。使用絕對光柵尺的數(shù)控機(jī)床可直接從光柵尺上獲得絕對位置數(shù)據(jù)，它既不需要后備電池保持?jǐn)?shù)據(jù)，也不需要進(jìn)行開機(jī)時的回參考點操作，其位置數(shù)據(jù)也不能通過控制器(如CNC)調(diào)整與改變。絕對光柵尺的制造復(fù)雜、成本高。因此，實際數(shù)控機(jī)床多使用下述的帶距離碼參考標(biāo)記的增量光柵尺來代替。

2 帶距離碼參考標(biāo)記的增量光柵尺

帶距離碼參考標(biāo)記的增量光柵尺與普通增量光柵尺的區(qū)別在于:普通增量光柵尺只有間隔不變的“零點標(biāo)記”刻度與增量計數(shù)刻度，其性質(zhì)相當(dāng)于多個增量編碼器展開后的疊加，因此，同樣需要用零脈沖計數(shù)與增量脈沖計數(shù)來確定實際位置值，計數(shù)的起始點(參考零脈沖)要通過機(jī)床的回參考點操作、用參考點減速開關(guān)選定;帶距離碼參考標(biāo)記的增量光柵尺增加了圖2所示的、位于“零點標(biāo)記”間的“距離碼參考標(biāo)記”刻度，距離碼參考標(biāo)記的間隔一般比零點標(biāo)記間隔大1個柵距(如0.02 mm)，使得它與相鄰零點標(biāo)記的相對位置產(chǎn)生變化，CNC可根據(jù)這一變化來區(qū)分當(dāng)前組增量計數(shù)脈沖在光柵尺上的實際位置。

使用帶距離碼參考標(biāo)記增量光柵尺的數(shù)控機(jī)床只要在任意位置移動2倍以上的零點標(biāo)記間隔便可確定絕對位置，因此，不再需要用參考點減速開關(guān)來選定計數(shù)的起始零脈沖，且其移動也可不通過專門的回參考點操作，而在JOG運(yùn)動或G00運(yùn)動時直接進(jìn)行，故可以簡化回參考點操作及減小回參考點行程。

3 絕對零點與機(jī)床坐標(biāo)系

距離碼參考標(biāo)記刻線與右側(cè)零點標(biāo)記刻線重合的點稱光柵尺的“絕對零點”。在實際光柵尺上，由于起始的距離碼參考標(biāo)記通常位于兩個零點標(biāo)記的中間，而距離碼參考標(biāo)記與零點標(biāo)記的間隔差只有1個柵距，因此“絕對零點”往往遠(yuǎn)離光柵尺的起始點，通常情況下它并不在實際光柵上而是一個虛擬的假想零點(圖3)。建立機(jī)床坐標(biāo)系的實質(zhì)是確定原點(稱機(jī)床零點)位置，帶距離碼參考標(biāo)記的增量光柵尺的數(shù)控機(jī)床必須在光柵尺的絕對零點位置確定后才能確定機(jī)床坐標(biāo)原點。一般而言，當(dāng)前所使用的絕大多數(shù)CNC都可根據(jù)距離碼參考標(biāo)記與零點標(biāo)記的間距變化，自動計算出光柵尺絕對零點的位置，然后根據(jù)參數(shù)的設(shè)定確定機(jī)床零點。

應(yīng)當(dāng)注意的是:普通增量光柵尺的參考點同樣只是確定機(jī)床零點的基準(zhǔn)位置，它可以與機(jī)床零點重合也可以不同，CNC中的參考點位置參數(shù)(如FANUC－0iC的PRM1420)所設(shè)定的就是參考點在需要建立的機(jī)床坐標(biāo)系中的位置值?；貐⒖键c操作的作用是將機(jī)床自動定位到參考點上;定位完成后，CNC自動將當(dāng)前的位置值更改為參數(shù)(PRM1420)設(shè)定的值，從而間接確定機(jī)床零點。部分人對這一過程的理解可能存在一定的誤區(qū)。

4 相關(guān)CNC參數(shù)

使用帶距離碼參考標(biāo)記增量光柵尺的NC機(jī)床需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)。以FANUC－0iC/D為例，它需要在電動機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)、電子齒輪比、參考計數(shù)器容量等增量檢測系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加以下與絕對零點相關(guān)參數(shù):

PRM 1815.2:“1”生效帶距離碼參考標(biāo)記的增量光柵尺;

PRM1819.2:“1”生效 PRM1883/1884 的自動計算與設(shè)定功能;

PRM 1882:距離碼參考標(biāo)記的間距;

PRM 1883:當(dāng)前位置的絕對坐標(biāo)值1(設(shè)定范圍－99 999 999～99 999 999);

PRM 1884:當(dāng)前位置的絕對坐標(biāo)值2(設(shè)定范圍－20～20)。

參數(shù)PRM 1883/1884設(shè)定的是當(dāng)前位置相對于光柵尺絕對零點的絕對坐標(biāo)值。由于“絕對零點”遠(yuǎn)離機(jī)床，其值可能超過單個參數(shù)設(shè)定的極限(通常為±99 999 999)，故需要用兩個參數(shù)來進(jìn)行設(shè)定。在參數(shù)PRM 1883/1884同時設(shè)定時，當(dāng)前位置的絕對坐標(biāo)值=(PRM1884)×108+(PRM1883)，如當(dāng)前位置的絕對坐標(biāo)值為 －250 000 mm、系統(tǒng)測量分辨率為0.001 mm時，可設(shè)定參數(shù)PRM1883=－50 000 000;PRM1884= －2。

5 參數(shù)的計算

如果通過手工計算的方法來設(shè)定以上參數(shù)，則必須計算PRM 1883/1884的值，其計算方法如下。

假設(shè)機(jī)床使用的是圖3所示的零脈沖標(biāo)記間距為20 mm、距離碼參考標(biāo)記間距為20.02 mm的光柵尺，且坐標(biāo)軸已經(jīng)定位于圖中的參考點上，則可以直接設(shè)定PRM1882=20 020(距離碼參考標(biāo)記間距);然后按照以下步驟計算參數(shù)PRM1883/1884的設(shè)定值:

①計算距離碼參考標(biāo)記與零脈沖標(biāo)記的距離差，本例為20.02－20=0.02 mm;

②計算從光柵尺起始點到絕對零點的零脈沖數(shù)量，本例為10 mm÷0.02 mm=500;

③計算光柵尺起始點到絕對零點的距離，本例為500×20=10 000 mm;

④以絕對零點為基準(zhǔn)，確定光柵起始點的坐標(biāo)值，本例為－10 000 mm;

⑤計算參考點的坐標(biāo)值，根據(jù)圖示的參考點位置，得到參考點的絕對坐標(biāo)為－10 000+(20×2－4)=－9 964 mm;

⑥根據(jù)以上計算結(jié)果，可以設(shè)定PRM1883=－9 964 000;PRM1884=0。

由此可見，手工計算PRM1883/1884的前提是必須清楚地知道當(dāng)前定位點在光柵尺上的具體位置，這在實際使用時往往難以做到;為此，F(xiàn)ANUC－0iC/D可通過設(shè)定PRM1819.2=“1”生效PRM1883/1884的自動計算與設(shè)定功能，這樣，坐標(biāo)軸只要在任意位置移動2倍以上的零點標(biāo)記間隔，CNC就可以自動設(shè)定參數(shù)PRM1883/1884的值。

6 結(jié)語

從本質(zhì)上說，帶距離碼參考標(biāo)記的光柵尺只是一種帶有絕對位置識別標(biāo)記的增量式光柵尺，在無斷電數(shù)據(jù)保持后備電池時，仍然需要移動機(jī)床后才能計算得到絕對位置值，只是這樣的移動可在任意位置通過JOG或G00實現(xiàn)而已。這一點在很多場合往往被人們所混淆，或?qū)⑵湟暈椤敖^對光柵尺”、或采用“半絕對光柵尺”等模糊提法。希望本文能夠為讀者澄清概念提供一定的幫助。