绩伟光栅尺在数控机床领域的应用

文/绩伟测量技术（上海）有限公司

数控机床中直线进给轴的坐标信息来自位置传感器，常见的有伺服电机+丝杆结构的旋转编码器（伺服电机整体自带）以及直线电机结构的线性光栅尺。位置传感器的作用如同人的感官，将捕获的信息传输给控制中心，即将进给轴当前的位置信息传输给控制单元——驱动器/控制器，控制单元根据位置信息计算运行速度，实现控制进给轴的位置和速度。因此位置传感器对进给轴准确的位置运行起到重要的作用，直接影响机床的加工效果。

常用的轴运行控制方式

绩伟光栅尺就扮演着感官的角色，测量进给轴的位置信息，提供给控制单元。机床中常用的轴运行的控制方式有三种。

丝杆结构半闭环控制

丝杆结构的半闭环控制系统如图1所示，控制单元从电机自带编码器中获得位置信息，控制进给轴的运行。半闭环系统无法测得丝杆反向间隙、磨损、热变形等引起的位置误差。

图1 丝杆结构半闭环控制

丝杆结构全闭环控制

丝杆结构的全闭环控制系统如图2所示，控制单元从电机自带旋转编码器和外置光栅尺两者中获得位置信息，数控系统中称电机自带编码器为第一测量系统（内置编码器），光栅尺为第二测量系统（外置编码器），系统会比较两者反馈位置信息的差值，依据光栅尺传输的位置信息进行运动控制。因光栅尺直接测量滑座的实际位置，故全闭环系统有助于解决因丝杆反向间隙、磨损、热变形等引起的位置误差。

图2 丝杆结构全闭环控制

直线电机结构闭环控制

直线电机结构的闭环控制系统如图3所示，因直线电机特殊的结构，光栅尺做唯一的测量元件。

图3 直线电机结构闭环控制

光栅尺简介

绩伟光栅尺为满足不同客户需求，提供丰富的产品种类。测量长度最短50mm，最长可达60m，分辨率可达10nm，高精度版本可达±1µm等级，电气信号与常用数控系统完美兼容，广泛使用于车床、铣床、磨床、镗床、加工中心、大型龙门机床等加工设备中。绩伟光栅尺简单分类见表1。

表1 绩伟光栅尺分类

针对两款常用的绝对式光栅尺GVS608和GVS908，我们从详情特色、安装方式、客户案例方面做简要介绍。

GVS608/908光栅尺功能特点

⑴GVS608。GVS608光栅尺如图4所示，其功能特点如下：

图4 GVS608光栅尺

1)分辨率可达10nm，精度可达±1µm，换向误差最大0.2µm；

2)可选多种电气通讯协议，如SSI、BISS-C、西门子Drive-CliQ和发那科a-ai；

3)盖板垫片提高内部电路板防护等级达IP67；

4)内部接头为插拔端子结构，保持有效连接；

5)聚氨酯材料电缆，适用于连续弯曲移动，出线方向可调；

6)一体压铸M12规格接头（IP67）或其他需求接头；

7)纵向或横向都可通入加压过滤空气；

8)测量长度可达3240mm；

9)坚固厚实的铝型材外壳，尺寸为40mm×24mm；

10)光学玻璃光栅，适应于绝对式阅读，栅距20µm；

11)非延展性密封唇，长久耐用；

12)固定块压紧密封唇端头，保持密封唇的正确位置；

13)防冷凝结构设计。

⑵GVS908。GVS908光栅尺如图5所示，其功能特点如下：

图5 GVS908光栅尺

1)两模块间连接紧密且坚固，密封完美，稳固耐用，如图6所示；

图6 两模块连接部分

2)测量长度可达30000mm；

3)内部光电读取单元沿着钢带自导向、自校正滑行，保证稳定的信号质量（串行信号+1Vpp可选）；

4)T形块用于弹性固定尺身模块，如图7所示，尺身和钢带的热膨胀相互独立；

图7 T形块

5)独有的光栅支撑和导向系统结构，如图8所示，实现模块间宽泛的对准公差；

图8 光栅支撑和导向系统结构

6)高精度微刻线绝对式钢带光栅（双轨道、绝对和增量），分辨率可达0.1µm；

7)可从尺身两端或读数头处通入加压过滤空气；

8)非延展性密封唇，被尺身两侧端头固定；

9)光栅安装后校准拉紧单元，如图9所示，精度等级±5µm；

图9 校准拉紧单元

10)固定块将钢带固定于机床本体，使钢带和机床本体的线性热膨胀变化量保持相同；

11)聚氨酯材料电缆，适用于连续弯曲移动；

12)读数头两侧设有线缆插头，出线方向可调；

13)盖板垫片提高内部电路板防护等级达IP67；

14)塑料支架保持读数头的移动和固定状态均处于正确的位置。

GVS608/908光栅尺安装推荐

密封唇垂直向下的安装方式，如图10所示，避免切削液、加工碎屑、润滑油进入尺身内部。建议安装防护罩，若光栅尺工作环境恶劣需加装空气过滤提高防护等级，如图11所示。

图10 安装方式

图11 通气示意图

GVS608/908光栅尺客户使用案例

⑴GVS608光栅尺在磨床上使用，搭配西门子828D系统，如图12所示。

图12 GVS608光栅尺磨床安装实例

⑵GVS908F光栅尺在卧式加工中心上使用，搭配发那科31i系统，如图13所示。

图13 GVS908F光栅尺卧式加工中心安装实例

产品追踪

绩伟每个光栅尺可以根据其唯一的序列号在官网查询其出厂时的配置细节、精度检查报告、数据表和安装手册，如图14、图15、图16所示。

图14 光栅尺序列号

图15 查询结果

图16 出厂报告

光栅尺常用名词术语

⑴测量基体：有周期刻线的玻璃或钢带载体，读数头通过刻线信息测出移动的距离。

⑵栅距：光栅尺测量基体上相邻刻线之间的距离。

⑶分辨率：光栅尺可测量反馈的最小长度单位。

⑷精度：任意1m长度内，测量值与真实值的偏差。

⑸重复定位精度：读数头在每次到达轴上某个点时，精度报告上此点最大值与最小值的偏差。

⑹测量长度：读数头在尺身移动的最大安全长度。

⑺热膨胀系数：温度变化时，物体在线性方向尺寸的变化量。该数值通常以µm/℃或ppm/K表示。

⑻增量式：通电后无法读得当前绝对位置值，需要控制单元执行找参考点回零过程后，才能确定计数的零点，然后通过信号脉冲的累加或减少显示移动的相对距离值。

⑼绝对式：通电后立即读得当前绝对位置值，全程中绝对位置值都是唯一的，不需要控制单元执行找参考点回零过程。

⑽零参考点信号类型：增量式光栅尺输出零参考点Z信号的类型，如恒定步距、距离编码、特定某一位置输出（如行程中间位置）。

⑾通讯协议：又称通讯接口，控制单元和光栅尺之间信息交流的相同协议标准，如SSI、BISS-C、Drive-CliQ。

⑿系统接头：读数头线缆到接收光栅尺装置处（控制器或驱动器）的接头。

结 束 语

绩伟公司为了提升光栅尺的使用效果，加强与国内外多家数控系统和驱动器厂家的技术交流，高效配置机床运动中的光栅尺参数，确保产品之间搭配的兼容性和稳定性。为应对特殊客户的非标要求，绩伟技术研发部门积极响应，充分与客户沟通，及时优化或调整产品机械部分和电气性能，以提供优质产品达到客户满意为最终目的。