距離編碼測(cè)量裝置在三維激光切割機(jī)上的應(yīng)用

翟東升，鐘 ，洪 超

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 前言

隨著國(guó)外第一臺(tái)三維激光切割機(jī)于1979年在意大利Prima 工業(yè)公司誕生至今，三維激光切割機(jī)歷經(jīng)30 多年的不斷發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。作為三維激光切割機(jī)的核心部分之一——旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計(jì)極為重要。本文主要介紹帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記的測(cè)量裝置在其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用。

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

如圖1 所示為德國(guó)LT Ultra-Precision Technology GmbH 公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中上部為C軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，下部為A 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，C、A 軸均采用德國(guó)ATE 公司的力矩電機(jī)，C 軸可實(shí)現(xiàn)±360°旋轉(zhuǎn)，A 軸可現(xiàn)實(shí)±180°旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)電機(jī)的測(cè)量裝置均采用德國(guó)海德漢（HEIDENHAIN）公司推出的一種帶有距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記的ERA4000C 系列光柵尺。使用帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記的線性測(cè)量系統(tǒng)，可以不必為返回參考點(diǎn)而安裝減速開(kāi)關(guān)，并返回一個(gè)固定的機(jī)床參考點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)比較緊湊的機(jī)構(gòu)應(yīng)用中帶來(lái)了許多方便。

3 測(cè)量裝置原理

為加快和簡(jiǎn)化“參考點(diǎn)回零”操作，海德漢公司的多款光柵尺刻有距離編碼參考點(diǎn)。如圖2 所示,帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記的測(cè)量系統(tǒng)原理是采用包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線性的柵格標(biāo)記和一個(gè)與此相平行運(yùn)行的另一個(gè)帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記通道,每組兩個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)記的距離是相同的,但兩組之間兩個(gè)相鄰參考點(diǎn)標(biāo)記的距離是可變的,每一段的距離加上一個(gè)固定的值,因此數(shù)控軸可根據(jù)距離來(lái)確定其所處的絕對(duì)位置。

從圖2 可以看出，當(dāng)數(shù)控軸從a 點(diǎn)移動(dòng)到c 點(diǎn)，系統(tǒng)檢測(cè)到10.02 距離的時(shí)候就可以判斷出當(dāng)前軸處于哪一個(gè)參考點(diǎn)的位置。同樣，當(dāng)數(shù)控軸從b 點(diǎn)移動(dòng)到d 點(diǎn)，系統(tǒng)檢測(cè)到10.04 距離的時(shí)候就可以判斷出當(dāng)前軸處于哪個(gè)參考點(diǎn)位置，依此類(lèi)推。所以當(dāng)數(shù)控軸只要移動(dòng)超過(guò)任意兩個(gè)參考點(diǎn)距離（20mm）的時(shí)候，就能夠判斷出當(dāng)前軸所在的機(jī)床絕對(duì)位置值。

小提示：從海德漢光柵尺樣本來(lái)看，如果光柵尺或者編碼器型號(hào)后面有字母“C”均表示帶有距離編碼參考點(diǎn)（如ERA4000C）。

4 應(yīng)用分析

我公司TL3015 型三維激光切割機(jī)采用德國(guó)SIEMENS 840D power line 數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)SIEMENS 840D 數(shù)控系統(tǒng)中本身已經(jīng)為此功能準(zhǔn)備了一些設(shè)定參數(shù)，以下主要對(duì)參數(shù)設(shè)定作簡(jiǎn)單介紹。

4.1 參數(shù)設(shè)定

（1）34000 REFP_CAM_IS_ACTIVE[0]=0

參考點(diǎn)凸輪的軸：0 表示不帶參考點(diǎn)凸輪信號(hào)，即不用返回參考點(diǎn)減速開(kāi)關(guān)信號(hào)。

（2）34200 ENC_REFP_MODE [0]=3

參考點(diǎn)模式：3 表示采用帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記的測(cè)量裝置。

（3）34300 ENC_REFP_MARKER_DIST [0]=45

距離編碼縮放的參考標(biāo)記角度：45 表示使用的ERA4000C 光柵尺標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)標(biāo)記角度為45°。

（4）34060 REFP_MAX_MARKER_DIST [0]:=90

兩個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)記的最大角度：90 表示兩個(gè)光柵尺標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)標(biāo)記的最大距離為90°（兩倍光柵尺標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)標(biāo)志柵格角度）。

（5）34310ENC_MARKER_INC [0]:=0.02197266

在角度編碼縮放的參考標(biāo)記間的間隔：0.02197266 表示ERA4000C 光柵尺信號(hào)節(jié)矩為0.02197266°。

（6）34090 REFP_MOVE_DIST_CORR [0]:=20.4

參考點(diǎn)偏移值：20.4 表示旋轉(zhuǎn)軸的基準(zhǔn)點(diǎn)偏移值為 20.4°。

以上參數(shù)若測(cè)量系統(tǒng)用于位移測(cè)量則單位為mm，若測(cè)量系統(tǒng)用于角度測(cè)量則單位為°。

4.2 操作方法

（1）在尋找參考點(diǎn)模式下，選擇進(jìn)給軸點(diǎn)動(dòng)按鈕如＋C 或－C 均可，此時(shí)旋轉(zhuǎn)軸C 軸將以參數(shù)34040（參考點(diǎn)爬行速度）設(shè)定的速度搜索參考點(diǎn)標(biāo)記。

如果機(jī)床移動(dòng)了參數(shù)MD34060（兩個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)記的最大位移）設(shè)定的角度還沒(méi)有找到參考點(diǎn)，軸將自動(dòng)停止，CNC 系統(tǒng)將顯示“20003 通道軸編碼器錯(cuò)誤”的報(bào)警。

如果機(jī)床移動(dòng)了參數(shù)MD34300（距離編碼縮放的參考標(biāo)記角度）設(shè)定的角度，但數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有找到兩個(gè)變距離的參考點(diǎn)標(biāo)記，此時(shí)軸將自動(dòng)停止，并顯示“20004 通道軸參考點(diǎn)標(biāo)記消失”的報(bào)警。

（2）確認(rèn)軸絕對(duì)位置。由于兩個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)志之間的角度是可變的，系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確地識(shí)別軸所處的是哪一個(gè)參考點(diǎn)并計(jì)算出實(shí)際位置，但這個(gè)位置可能并不一定是你所需要的機(jī)床基準(zhǔn)點(diǎn)值，所以還必須有一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)偏移角度參數(shù)來(lái)參與計(jì)算。MD34090 就可完成這一步，實(shí)際上MD34090 中設(shè)定的值就是測(cè)量系統(tǒng)中的第一個(gè)參考點(diǎn)到機(jī)床基準(zhǔn)點(diǎn)的角度。

如果光柵尺與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)一致，即線性測(cè)量系統(tǒng)的第一個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)志靠近機(jī)床的基點(diǎn)，絕對(duì)偏移＝實(shí)際位置＋線性測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際位置。

如果光柵尺與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，即線性測(cè)量系統(tǒng)的最后一個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)志靠近機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)：絕對(duì)偏移＝實(shí)際位置－線性測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際位置。

5 總結(jié)

在三維激光切割機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)樯婕暗轿遢S聯(lián)動(dòng)，需要考慮到各軸的加工范圍以及加工零件的局限性，必須要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)比較緊湊的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)才能夠滿足要求。在安裝了帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記的測(cè)量裝置后，給操作和應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便，如返回參考點(diǎn)速度更加快捷、任意點(diǎn)和方向都可以進(jìn)行操作等。同時(shí)，利用帶距離編碼參考點(diǎn)標(biāo)記的測(cè)量裝置的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以推廣到其他機(jī)床設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域。

[1]SINUMERIK_810D_840D 簡(jiǎn)明調(diào)試指南技術(shù)手冊(cè).SIEMENS 公司，2002.

[2]SINUMERIK_840D_810D_FM-NC 診斷說(shuō)明.SIEMENS 公司，2002.

[3]直線光柵尺技術(shù)選型指南.HEIDENHAIN 公司，2010.

[4]RSD60T360 系列旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使用說(shuō)明.LT Ultra-Precision Technology GmbH 公司，2011.

[5]周鵬飛，嚴(yán) 偉，翟東升，等.一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三維激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（1）：28-30.

[6]黃金開(kāi)，謝長(zhǎng)生.三維激光切割機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].激光技術(shù)，1998，22（6）：352-356.