基于SIMOTION 的帶距離編碼光柵尺回零算法研究

孔 陽，裴曉宇，張 健

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 北京航空精密機(jī)械研究所，北京 100076）

0 引言

隨著國家工業(yè)水平的飛速提升，機(jī)床作為裝備制造的基礎(chǔ)，也顯現(xiàn)了巨大發(fā)展，各種多軸聯(lián)動檢測裝備、大型高精度加工裝備應(yīng)運(yùn)而生。光柵尺是閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中常見的一種位移傳感器，可作為直線位移和角度位移反饋，根據(jù)測量原理不同，可分為絕對式光柵尺和增量式光柵尺[1]。

應(yīng)用絕對式光柵尺，設(shè)備上電后就可得知位置信息，控制系統(tǒng)設(shè)計簡單，但工藝制作復(fù)雜，使用成本較高[2-3]。傳統(tǒng)的增量式光柵尺是周期性的光柵刻線，只有間隔不變的“零點(diǎn)標(biāo)記”刻度與增量計數(shù)刻度，結(jié)構(gòu)簡單，在成本控制上具有極大優(yōu)勢。其位置信息是通過計算自某計數(shù)起點(diǎn)開始的增量數(shù)而獲得。這個計數(shù)起點(diǎn)無法獲取當(dāng)前坐標(biāo)相對機(jī)床坐標(biāo)的絕對位置信息，需要設(shè)置實(shí)際的位置參考點(diǎn)來確定，俗稱回零方法。此種方法存在一定局限性，特別是針對長行程進(jìn)給軸的大型數(shù)控機(jī)床[4-7]，單一參考點(diǎn)在回零運(yùn)動時，需要返回參考點(diǎn)，給操作帶來極大不便，單軸往復(fù)運(yùn)動更易造成加工事故。若增加參考點(diǎn)，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，容易造成回零位置偏差，產(chǎn)生質(zhì)量事故[8]。

帶距離編碼參考標(biāo)記的增量光柵尺相對于傳統(tǒng)光柵尺，增加了位于“零點(diǎn)標(biāo)記”之間的“距離編碼參考標(biāo)記”刻度，距離編碼參考標(biāo)記的間隔一般比零點(diǎn)標(biāo)記的間隔大一個柵距，使得它與相鄰零點(diǎn)標(biāo)記的相對位置產(chǎn)生變化，控制系統(tǒng)可根據(jù)這一變化來區(qū)分當(dāng)前增量計數(shù)脈沖在光柵尺上的實(shí)際位置[9]。這種方式使得系統(tǒng)運(yùn)動一小段距離后可重新讀取絕對位置，操作便捷，系統(tǒng)設(shè)計簡單，精度較高，成本相對較低[10]。

西門子公司SIMOTION 系統(tǒng)繼承了該公司生產(chǎn)數(shù)控加工機(jī)床設(shè)備高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，同時在系統(tǒng)外圍搭建及組成、程序控制等方面提供了非常高的靈活性，非常適合于非標(biāo)多軸聯(lián)動設(shè)備的運(yùn)動控制[11-13]。SIMOTION 運(yùn)動控制器系統(tǒng)，不能直接通過設(shè)置來實(shí)現(xiàn)機(jī)床回零功能，需要編程來實(shí)現(xiàn)讀取當(dāng)前的絕對位置。綜上所述，帶距離編碼光柵尺在SIMOTION 系統(tǒng)上的應(yīng)用研究十分必要。

為此，本文提出一種通用的帶距離編碼光柵尺回零算法，并應(yīng)用在西門子的SIMOTION D435 控制器中。

1 帶距離編碼光柵尺回零算法

帶距離編碼光柵尺原理為每組兩個參考點(diǎn)位置相同，相鄰兩個參考點(diǎn)跟隨距離變換增加一個固定位移[14]，所以只要軸任意移動超過兩個零點(diǎn)標(biāo)記間隔就能得到機(jī)床的絕對位置。

通過讀取每個零位編碼標(biāo)記間隔來找出其中規(guī)律，設(shè)每個零位標(biāo)記的讀數(shù)值為Li（i=0,1,2….n），通過讀取會發(fā)現(xiàn)每個相鄰讀數(shù)值的相減結(jié)果即Li+1-Li（i=0,1,2….n）均為不同值，這也是帶距離編碼的增量光柵與普通增量光柵的本質(zhì)區(qū)別，本文中暫時將這種不等距間隔稱為特征間隔ΔLi。通過程序識別這個特征間隔，與實(shí)際位置距離建立數(shù)學(xué)關(guān)系，就可以獲得絕對位置公式如下所示：

式中：B 為控制系統(tǒng)的倍頻系數(shù)；N 為所選光柵尺兩個固定參考點(diǎn)間名義增量值（用信號周期值表示）；M為所選光柵尺兩個固定參考點(diǎn)間的實(shí)際值；m0為所選光柵尺第一個距離編碼位的實(shí)際值；m1為光柵尺對應(yīng)的編碼刻線間距的實(shí)際值；m2為距離標(biāo)記間隔；Δd 為軸設(shè)定偏移量。

如圖1 所示[15]，以FAGOR 的GOP 系列光柵尺為例（其信號周期長度為20μm，零點(diǎn)標(biāo)記間隔為80mm，距離標(biāo)記間隔為0.04mm）。系統(tǒng)從A 點(diǎn)經(jīng)B 點(diǎn)至C 點(diǎn)，A 至B 檢測到距離為40.04mm，A 至C 距離為80mm，B 為軸參考點(diǎn)位置對應(yīng)值為40.04mm；C 至D 距離為40.08mm，C 至E 間隔為80mm 不變，該位置為軸另一參考點(diǎn)位置，C 點(diǎn)對應(yīng)光柵尺實(shí)際度數(shù)為80mm，D 點(diǎn)對應(yīng)光柵尺實(shí)際度數(shù)為120.08mm。

圖1 帶距離編碼光柵尺參考刻線分布示意圖

光柵尺距離脈沖信號進(jìn)入到控制系統(tǒng)中后進(jìn)行四倍頻處理（針對SIMOTION D435 系統(tǒng)），再根據(jù)光柵尺刻線中兩個固定參考點(diǎn)增量值N（GOP 系列光柵尺此值為1000），可以得到以下結(jié)果：

通過計算歸納可得：

通過公式（4）得出以上特征間隔，就可以用特征間隔來計算實(shí)際距離。設(shè)特征間隔為-1 時對應(yīng)0mm，2對應(yīng)40.04mm，-2 對應(yīng)80mm，3 對應(yīng)120.08mm 等依次類推（根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)置零點(diǎn)位置），軸偏移量為65mm，得出特征間隔與絕對位置P 的對應(yīng)關(guān)系為：

2 帶距離編碼光柵尺在SIMOTION 系統(tǒng)中配置

將帶距離編碼的光柵尺作為電機(jī)的第二編碼器配置到工藝軸，設(shè)置為閉環(huán)控制位置反饋。在SIMOTON 系統(tǒng)中將零點(diǎn)標(biāo)記配置為距離零位編碼標(biāo)記，并輸入相應(yīng)等距離間隔參數(shù)和柵格距離參數(shù)，如圖2 所示?；亓愎δ苄枰x取和修改驅(qū)動軸r497參數(shù)，該參數(shù)屬于西門子不公開維修級參數(shù)，一般情況下不允許使用者讀取修改。

圖2 SIMOTION 系統(tǒng)中帶距離編碼光柵尺配置圖

針對此問題，程序中加入授權(quán)程序模塊：先將訪問級別參數(shù)設(shè)置為四級維修級；寫入驅(qū)動參數(shù)，針對P3950 參數(shù)加入密碼輸入程序；根據(jù)報文地址中P496 對應(yīng)的地址位，將該參數(shù)值設(shè)為32，定義r0497參數(shù)為零位位置脈沖值；讀取r0497 參數(shù)，用于回零操作位置標(biāo)定值計算。

建立MCC 回零子程序塊，程序使能軸開始正向低速運(yùn)動；檢測到第一個零位信號后，選用動態(tài)回零模式將當(dāng)前位置值置零；連續(xù)記錄第二個和第三個回零信號位置脈沖值；停止軸運(yùn)動，根據(jù)計算公式和運(yùn)動位置共同標(biāo)定當(dāng)前位置值，完成回零操作，流程圖如圖3 所示。

圖3 回零程序流程圖

3 結(jié)論

本算法已應(yīng)用于某雷達(dá)罩電厚度五軸聯(lián)動測試設(shè)備，該設(shè)備以SIMOTION D435 運(yùn)動控制器為控制系統(tǒng)，采用帶距離編碼光柵尺作為各軸位置反饋。實(shí)際測試結(jié)果理想，系統(tǒng)開機(jī)在任意位置都可通過移動小于120mm（該軸為直線軸，軸長3200mm）或45°（旋轉(zhuǎn)軸）等較短距離準(zhǔn)確獲得當(dāng)前絕對位置，極大提高了設(shè)備使用效率，降低了系統(tǒng)回零運(yùn)動產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。