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为什么增量式编码器机床开机需回参考点?机床厂怎么设置参考点?

增量式编码器虽然能计数检测位移增量,却无法给出具体的坐标值,而NC编程时刀具的空间位置都是基于坐标系中的数值计算的。如图1所示,你只知道从P1点移动到P2点由编码器计数运动了0.006mm(6个脉冲,每个脉冲定义长度0.001mm),可你怎么知道P1和P2点的绝对坐标呢?

为什么增量式编码器机床开机需回参考点?机床厂怎么设置参考点?

图1 编码器“增量”的概念

 

我们想了一个办法,人为在空间设立一个基准点(Reference),作为测量起点,数控机床上给个专门名词:参考点。比如,将参考点(图1中R点)坐标定义为(0,0,0)。

 

图1中,R点移动到P1点计数得到8个脉冲,则P1X坐标为-0.008,再从P1点移动到P2点(X轴正向移动)时,P2X坐标也就有了:-0.008+0.006=-0.002。

 

问题来了,CNC机床怎么知道人规定的基准点R在哪里呢?也就是说,CNC首先需要标定一下零点,好像一杆秤,空秤要调零。这个标定零点的过程称为回参考点或回零(homing),机床开机后去跑一下零点,然后CNC系统把这个位置寄存起来。

 

如果没有什么办法把这个标定位置永久存储在寄存器,那么每次开机都必须做回参考点的操作。

下面基于FANUC系统,以增量式编码器作为半闭环位置检测元件,说明坐标轴参考点的设置原理。

 

 1
回零动作过程

为了高效准确地回零,其动作过程一定经历快→慢→停三个阶段。什么时候慢?什么时候停?谁来触发?

 

触发减速的信号(*DEC)和停止的信号(PCZ)分别由行程开关和编码器给出。尤其指出,这个停止点必须十分精确,它直接影响零件加工精度,这个任务由编码器的1转信号完成。

 

在FANUC系统中,回参考点动作过程如图1所示。

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图1 回参考点动作及原理图

 

① 机床的移动部件首先沿参考点方向以快速进给速度(参数1428或1424中设定)移动。

② 挡块压上行程开关,触点断开后(*DEC=0),进给立即减速,之后机床以一定的低速(参数1425中设定)继续移动。

③ 在行程开关释放后(*DEC=1)、且第1个电气栅格点(图1中脉冲序列之粗线)到达时,进给停止,此时这个点就是参考点所在位置。

 

也可以再移动一个偏移量(参数1850中设定)后停止。CNC发出“回参考点完成”信号,参考点坐标被复位成固定数值,在屏幕的机床坐标系中显示。

 

 2
回零硬件连接

可以看出,减速信号由行程开关和挡块作用产生,而电气栅格信号(对应1转信号)则由编码器精确给出。

 

(1)行程开关连接

行程开关此时被称为回零开关、减速开关,也可以采用无触点的接近开关,如图2所示。

 

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(a)行程开关                     (b)接近开关

图2 常用回零开关

行程开关(limit switch,也称为限位开关)主要用于将机械位置变为电信号,以实现对机械运动的电气控制。当机械的运动部件(如图3所示的挡块)撞击触杆时,触杆下移使常闭触点断开,常开触点闭合;当运动部件离开后,在复位弹簧的作用下,触杆回复到原来位置,各触点恢复常态。

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图3 挡块(dog)及槽板(rail)(与图2(a)配合发信)

回零开关信号使手动回参考点的移动速度降低,以便以低速接近参考点,完成粗定位。该信号由PMC直接送入CNC系统程序处理,X轴、Y轴、Z轴减速开关的PMC连接信号地址分别为X9.0、X9.1、X9.2(固定地址),如图4所示。

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图4  回零开关PMC输入接口图

 

(2)编码器连接

伺服电机内装编码器作为位置检测装置,参考点通过其零标志脉冲信号(即1转信号)实现精定位。图5所示为VMC850立式加工中心X轴编码器的连接,由编码器PG(Pulse Generator)引出接入伺服放大器的JF1端子。

 

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图5 电机编码器连接图

 

 3
回零实质

找到编码器的零标志脉冲信号就是回到了参考点,怎么算找到呢?FANUC系统通过内部的参考计数器(reference counter)产生栅格脉冲(GRID)来实现。当CNC检测到编码器的1转信号(PCZ)时(或开机时),参考计数器被清零。此后,参考计数器成为一个环行计数器。当计数器对移动指令脉冲计数到设定的参考计数器容量值时溢出产生一个栅格脉冲信号,如图6所示。

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图6 参考计数器原理图

 

参考计数器容量设多少呢?它是指电机转1转,为达到指定分辨率(如0.001mm/脉冲),编码器所需发出的(位置反馈)脉冲数,通俗讲就是对应1转移动量所需的等分数。所以,

参考计数器容量=电机转1转机床的移动量/ 检测单位,见式1。

为什么增量式编码器机床开机需回参考点?机床厂怎么设置参考点?

式中,t:电机1转机床的移动量(mm/转)

          D:检测单位(mm/脉冲)

 

表1给出了具体的设定实例:(直接驱动)

1 设定例

1转移动量

检测单位

所需的位置脉冲数

参考计数器容量

10 mm/

0.001 mm

10000 脉冲/

10000脉冲

20 mm/

0.001 mm

20000脉冲/

20000脉冲

30 mm/

0.01 mm

3000脉冲/

3000脉冲

 

如果参考计数器容量设定错误,则电气栅格点位置不对,将导致每次回参考点的位置不一致,也即回参考点不准。

 

需要强调的是,FANUC说明书中所说的“栅格”是指从参考计数器发出的“电气信号”,而不是从编码器或光栅尺直接读出来的物理栅格。

 

整个回零过程由CNC厂家的系统程序加以控制,用户只需作相应的开关连接和参数设置。

 

 4
回零相关参数

回参考点相关参数(parameter)包括了回参考点快进速度、回参考点低速、参考计数器容量等。FANUC 0i Mate-C/D与参考点设置有关的参数的含义及具体的设定值如表2所示。

表2 回参考点设定参数一览表

序号

参数号

含义

使用情境举例

1

1428

每个轴的参考点返回速度,单位:mm/min

提高回参考点效率,与机床G00速度接近

2

1425

回参考点低速(FL速度),单位:mm/min

便于寻找零标志脉冲,设定值300~500mm/min

3

1821

参考计数器容量,单位:脉冲数

产生栅格信号,用电机转1转机床所产生的移动量按检测单位分割得出的等分数

4

1850

参考点偏移量,单位:脉冲数

用于参考点微调,视实际位置需要而设。设定值不超过参考计数器容量

5

1240

参考点坐标显示值,单位:mm

车床上设为行程最大值

6

1006#5ZMI

趋近参考点的运动方向

0:  选择正方向回参考点

1:  选择负方向回参考点

视参考点位置方向而定

7

1005#1DLZ

参考点设定功能为

0:用减速挡块回参考点

1:无挡块回参考点

绝对式回零时设为1

8

1815#5APC

位置检测器为

0:  增量式编码器

1:  绝对式编码器

绝对式回零时设为1

9

1815#4APZ

使用绝对式编码器时,机械位置与绝对式编码器之间的位置对应关系

0:  尚未建立

1:  已经建立

绝对式回零时使用,在进行第 1 次调节时或更换绝对位置检测器时,务须将其设定为 “0”,再次通电后,通过执行手动返回参考点等操作进行绝对位置检测器的原点设定。完成机械位置与绝对位置检测器之间的位置对应后,此参数被设定为 “1”

10

3003#5

DEC

用于参考点返回操作的减速信号

0: 在信号为0下减速

1: 在信号为1下减速

匹配回零开关接线。通常设为0

11

3008#2

XSG

分配给X地址的信号

0: 属于固定地址

       1: 可变换为任意的X地址

视实际机床I/O设计而定

12

3013

分配回参考点减速信号的X地址

视实际机床I/O设计而定

13

3014

分配回参考点减速信号的X地址的位(bit)位置

视实际机床I/O设计而定

 5
回零诊断数据

FANUC 0i Mate-C/D与参考点设置有关的诊断数据(diagnose)如表3所示。

表3 回参考点诊断数据一览表

序号

诊断号

 含义

使用情境

1

X9.0

1轴回零减速信号(*DEC1

减速开关接常闭触点,当行程开关爬上挡块时,信号由“1”→“0”(触点断开),当行程开关脱离挡块时,“0”→“1”(触点闭合)。由CNC直接读取该信号(轴开始减速),无需PMC程序的处理。

X9.1

2轴回零减速信号(*DEC2

X9.2

3轴回零减速信号(*DEC3

2

F94.0

1轴回参考点完成信号(ZP1

表示返回参考点过程结束,可用该信号去点亮参考点指示灯。

F94.1

2轴回参考点完成信号(ZP2

F94.2

第3轴回参考点完成信号(ZP3)

3

DGN No.302

从减速信号结束至第1栅格点的距离(LDA)。

检查参考点设置的正确性

4

DGN No.304

各轴参考计数器的实际值

如果通过参数设置了栅格偏移量,则参考计数器也自动被设定为和栅格偏移量相等的值。

 

坐标轴参考点位置由机床制造厂家(MTB)设置,设置方法因机床厂家和CNC系统厂家而异,因不同种类的检测装置而异,但其原理大同小异。结束前看看安川公司的魅力老师Steve Koehler先生解释回零常规动作的视频。

?

回零常规动作(homing routine)

 

(文/汤彩萍)

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