績偉光柵尺在數(shù)控機床領(lǐng)域的應(yīng)用

文/績偉測量技術(shù)（上海）有限公司

數(shù)控機床中直線進(jìn)給軸的坐標(biāo)信息來自位置傳感器，常見的有伺服電機+絲桿結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)編碼器（伺服電機整體自帶）以及直線電機結(jié)構(gòu)的線性光柵尺。位置傳感器的作用如同人的感官，將捕獲的信息傳輸給控制中心，即將進(jìn)給軸當(dāng)前的位置信息傳輸給控制單元——驅(qū)動器/控制器，控制單元根據(jù)位置信息計算運行速度，實現(xiàn)控制進(jìn)給軸的位置和速度。因此位置傳感器對進(jìn)給軸準(zhǔn)確的位置運行起到重要的作用，直接影響機床的加工效果。

常用的軸運行控制方式

績偉光柵尺就扮演著感官的角色，測量進(jìn)給軸的位置信息，提供給控制單元。機床中常用的軸運行的控制方式有三種。

絲桿結(jié)構(gòu)半閉環(huán)控制

絲桿結(jié)構(gòu)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示，控制單元從電機自帶編碼器中獲得位置信息，控制進(jìn)給軸的運行。半閉環(huán)系統(tǒng)無法測得絲桿反向間隙、磨損、熱變形等引起的位置誤差。

圖1 絲桿結(jié)構(gòu)半閉環(huán)控制

絲桿結(jié)構(gòu)全閉環(huán)控制

絲桿結(jié)構(gòu)的全閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，控制單元從電機自帶旋轉(zhuǎn)編碼器和外置光柵尺兩者中獲得位置信息，數(shù)控系統(tǒng)中稱電機自帶編碼器為第一測量系統(tǒng)（內(nèi)置編碼器），光柵尺為第二測量系統(tǒng)（外置編碼器），系統(tǒng)會比較兩者反饋位置信息的差值，依據(jù)光柵尺傳輸?shù)奈恢眯畔⑦M(jìn)行運動控制。因光柵尺直接測量滑座的實際位置，故全閉環(huán)系統(tǒng)有助于解決因絲桿反向間隙、磨損、熱變形等引起的位置誤差。

圖2 絲桿結(jié)構(gòu)全閉環(huán)控制

直線電機結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制

直線電機結(jié)構(gòu)的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3所示，因直線電機特殊的結(jié)構(gòu)，光柵尺做唯一的測量元件。

圖3 直線電機結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制

光柵尺簡介

績偉光柵尺為滿足不同客戶需求，提供豐富的產(chǎn)品種類。測量長度最短50mm，最長可達(dá)60m，分辨率可達(dá)10nm，高精度版本可達(dá)±1μm等級，電氣信號與常用數(shù)控系統(tǒng)完美兼容，廣泛使用于車床、銑床、磨床、鏜床、加工中心、大型龍門機床等加工設(shè)備中?？儌ス鈻懦吆唵畏诸愐姳?。

表1 績偉光柵尺分類

針對兩款常用的絕對式光柵尺GVS608和GVS908，我們從詳情特色、安裝方式、客戶案例方面做簡要介紹。

GVS608/908光柵尺功能特點

⑴GVS608。GVS608光柵尺如圖4所示，其功能特點如下：

圖4 GVS608光柵尺

1)分辨率可達(dá)10nm，精度可達(dá)±1μm，換向誤差最大0.2μm；

2)可選多種電氣通訊協(xié)議，如SSI、BISS-C、西門子Drive-CliQ和發(fā)那科a-ai；

3)蓋板墊片提高內(nèi)部電路板防護(hù)等級達(dá)IP67；

4)內(nèi)部接頭為插拔端子結(jié)構(gòu)，保持有效連接；

5)聚氨酯材料電纜，適用于連續(xù)彎曲移動，出線方向可調(diào)；

6)一體壓鑄M12規(guī)格接頭（IP67）或其他需求接頭；

7)縱向或橫向都可通入加壓過濾空氣；

8)測量長度可達(dá)3240mm；

9)堅固厚實的鋁型材外殼，尺寸為40mm×24mm；

10)光學(xué)玻璃光柵，適應(yīng)于絕對式閱讀，柵距20μm；

11)非延展性密封唇，長久耐用；

12)固定塊壓緊密封唇端頭，保持密封唇的正確位置；

13)防冷凝結(jié)構(gòu)設(shè)計。

⑵GVS908。GVS908光柵尺如圖5所示，其功能特點如下：

圖5 GVS908光柵尺

1)兩模塊間連接緊密且堅固，密封完美，穩(wěn)固耐用，如圖6所示；

圖6 兩模塊連接部分

2)測量長度可達(dá)30000mm；

3)內(nèi)部光電讀取單元沿著鋼帶自導(dǎo)向、自校正滑行，保證穩(wěn)定的信號質(zhì)量（串行信號+1Vpp可選）；

4)T形塊用于彈性固定尺身模塊，如圖7所示，尺身和鋼帶的熱膨脹相互獨立；

圖7 T形塊

5)獨有的光柵支撐和導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖8所示，實現(xiàn)模塊間寬泛的對準(zhǔn)公差；

圖8 光柵支撐和導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6)高精度微刻線絕對式鋼帶光柵（雙軌道、絕對和增量），分辨率可達(dá)0.1μm；

7)可從尺身兩端或讀數(shù)頭處通入加壓過濾空氣；

8)非延展性密封唇，被尺身兩側(cè)端頭固定；

9)光柵安裝后校準(zhǔn)拉緊單元，如圖9所示，精度等級±5μm；

圖9 校準(zhǔn)拉緊單元

10)固定塊將鋼帶固定于機床本體，使鋼帶和機床本體的線性熱膨脹變化量保持相同；

11)聚氨酯材料電纜，適用于連續(xù)彎曲移動；

12)讀數(shù)頭兩側(cè)設(shè)有線纜插頭，出線方向可調(diào)；

13)蓋板墊片提高內(nèi)部電路板防護(hù)等級達(dá)IP67；

14)塑料支架保持讀數(shù)頭的移動和固定狀態(tài)均處于正確的位置。

GVS608/908光柵尺安裝推薦

密封唇垂直向下的安裝方式，如圖10所示，避免切削液、加工碎屑、潤滑油進(jìn)入尺身內(nèi)部。建議安裝防護(hù)罩，若光柵尺工作環(huán)境惡劣需加裝空氣過濾提高防護(hù)等級，如圖11所示。

圖10 安裝方式

圖11 通氣示意圖

GVS608/908光柵尺客戶使用案例

⑴GVS608光柵尺在磨床上使用，搭配西門子828D系統(tǒng)，如圖12所示。

圖12 GVS608光柵尺磨床安裝實例

⑵GVS908F光柵尺在臥式加工中心上使用，搭配發(fā)那科31i系統(tǒng)，如圖13所示。

圖13 GVS908F光柵尺臥式加工中心安裝實例

產(chǎn)品追蹤

績偉每個光柵尺可以根據(jù)其唯一的序列號在官網(wǎng)查詢其出廠時的配置細(xì)節(jié)、精度檢查報告、數(shù)據(jù)表和安裝手冊，如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 光柵尺序列號

圖15 查詢結(jié)果

圖16 出廠報告

光柵尺常用名詞術(shù)語

⑴測量基體：有周期刻線的玻璃或鋼帶載體，讀數(shù)頭通過刻線信息測出移動的距離。

⑵柵距：光柵尺測量基體上相鄰刻線之間的距離。

⑶分辨率：光柵尺可測量反饋的最小長度單位。

⑷精度：任意1m長度內(nèi)，測量值與真實值的偏差。

⑸重復(fù)定位精度：讀數(shù)頭在每次到達(dá)軸上某個點時，精度報告上此點最大值與最小值的偏差。

⑹測量長度：讀數(shù)頭在尺身移動的最大安全長度。

⑺熱膨脹系數(shù)：溫度變化時，物體在線性方向尺寸的變化量。該數(shù)值通常以μm/℃或ppm/K表示。

⑻增量式：通電后無法讀得當(dāng)前絕對位置值，需要控制單元執(zhí)行找參考點回零過程后，才能確定計數(shù)的零點，然后通過信號脈沖的累加或減少顯示移動的相對距離值。

⑼絕對式：通電后立即讀得當(dāng)前絕對位置值，全程中絕對位置值都是唯一的，不需要控制單元執(zhí)行找參考點回零過程。

⑽零參考點信號類型：增量式光柵尺輸出零參考點Z信號的類型，如恒定步距、距離編碼、特定某一位置輸出（如行程中間位置）。

⑾通訊協(xié)議：又稱通訊接口，控制單元和光柵尺之間信息交流的相同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如SSI、BISS-C、Drive-CliQ。

⑿系統(tǒng)接頭：讀數(shù)頭線纜到接收光柵尺裝置處（控制器或驅(qū)動器）的接頭。

結(jié) 束 語

績偉公司為了提升光柵尺的使用效果，加強與國內(nèi)外多家數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動器廠家的技術(shù)交流，高效配置機床運動中的光柵尺參數(shù)，確保產(chǎn)品之間搭配的兼容性和穩(wěn)定性。為應(yīng)對特殊客戶的非標(biāo)要求，績偉技術(shù)研發(fā)部門積極響應(yīng)，充分與客戶溝通，及時優(yōu)化或調(diào)整產(chǎn)品機械部分和電氣性能，以提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品達(dá)到客戶滿意為最終目的。