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線切割中采用光柵尺閉環設計分析

  • 發布日期:17-08-17 15:25
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  目前在線切割機中當系統發出一個進給指令,經驅動電路功率放大,驅動電機旋轉一個角度,再經齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉,通過絲杠螺母機構轉換為機床的直線位移。機床各個軸的移動速度與位移量由輸入脈沖的頻率與脈沖數所決定。此時機床的信息流是單向的,即進給脈沖發出后,實際移動值不再反饋回來。系統對機床的實際位移量不進行監測,也不能進行誤差校正。因此步進電動機的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。為了提高機床的精度,采用直線電機和位置檢測元件組成閉環系統。它消除了旋轉電機齒輪間隙帶來的誤差,減小了系統的慣性,改善了系統的動態性能。電機能否精確定位,取決于位置反饋是否精確,光柵尺精度高、價位低、性能優良、故其成為首選傳感器,以實現位置信號的反饋。

  光柵尺信號輸出頻率很高,如直接給工控機讀取,實時性難以保證,采用高性能工控機雖能實現,但需編制大量程序。設計光柵尺接口模塊,能實現信號的細分、辯向、位置的計算與顯示。模塊是獨立工作的,上位機何時需要數據,通過數據總線直接讀取即可。既保證控制系統的實時性,提高了系統的反應速度。采用的光柵尺分辨率為1µm。

  1.光柵尺信號

  光柵尺輸出信號是電信號,動尺移動一個柵距,輸出電信號便變化一個周期,它是通過對信號變化周期的測量來測出移動的相對位移。計數器所計數乘以光柵距即為直線電機所走的位移。

  輸出信號是相位角相差90º時,方向為正,反之為負。Z信號作為校準信號以消除累積誤差。

  在A信號怕下降沿采集B信號,就可判斷出運動方向。當A信號的上升沿及下降沿均比B信號超前1/4W,在A信號下降沿采集的B信號為“1”,此時為正向運動;A信號的上升沿及下降沿均比B信號滯后1/4W,在A信號下降沿采集到的B信號為“0”,此時為反向運動。根據采集到的運動信號方向和A信號變化的周期數用計數器進行計數(正向計數或逆向計數),就可測算出總位移。

  2 接口模塊整體結構

  光柵尺輸出信號的測量和處理需經過:濾波、整流,細分辨向電路,計數電路,接口電路,實現與系統總線的交換。接口模塊原理圖見圖1。

  2.1 細分辨向電路

  光柵尺信號的細分與辨向是提高光柵尺測量精度的關鍵性一步。光柵辨向和細分電路的設計中,有的設計把辨向和細分電路分開,辨向電路只對光柵尺的輸出信號進行辨向,而不對細分后的脈沖信號進行辨向,這樣實現的測量誤差仍是光柵尺的柵距。在考慮辨向功能時,應對細分后的信號進行辨向設計,否則不能提高測量精度。此處為細分辨向電路設計的重點。

  以X軸輸出信號為例。光柵尺輸出的相差為90º的方波信號XA和XB,經RC濾波和6N137快速光耦,消除輸入信號中尖脈沖帶來的影響,提高系統的抗干擾性能。通過4倍頻電路實現精度的擔高,原來光柵尺的分辨率為5µm,倍頻后分辨率變為1.25µm。譯碼電路為(GAL1.22V10提供時鐘CLK。電機的運動方向由辨向電路來實現。當光柵尺正向運動時,從I/O端口輸出脈沖序列PX;當光柵尺反向運動時,從I/O端口輸出脈沖序列NX。

  2.2 計數電路

  本系統中采用8254實現計數功能。正反向脈沖PX,NX分別作為計數器8254的時鐘CLK,輸出信號即為位移的脈沖數。地址線A0、A1與8254的片選取線一起確定8254的地址。
 

  2.3 接口電路

  設計接口電路時,主要考慮3方面因素;

  (1)總線負載。當CPU讀插件板上的內存或接口時,內存芯片式接口芯片將數據傳送到系統總線的數據總線上,此時數據總線上的所有負載都將成為內存芯片式接口芯片的負載。為了保證總線的正常工作,在接口電路中要增加雙向數據驅動。

  (2)總線的競爭。PC機屬于獨立式I/O接口尋址方式,對一個地址,計算機可有I/O讀寫、DMA讀寫和存儲器讀寫,它們地址譯碼中加入AEN信號,避免DMA操作不會選通I/O地址。存儲器I/O接口地址易產生混淆,利用硬件電路進行存取,避免了總線競爭。只當CPU讀接口卡時,才允許通向系統數據線的三態門導通,其他任何時刻這些三態門必須呈現高阻狀態。

  (3)接口保護。接口電路還應考慮由于接口電路出現故障或工作時的誤動作對計算機造成的損壞。

  2.4 基于ISA總線的接口電路設計

  (1)緩沖器有保護功能設計

  用八同相雙向三志緩沖器/驅動器芯片SN74HC245緩沖ISA總線擴展槽與各器件間的8位數據信號。SN74HC245不但起緩沖、隔離作用,還有一定的保護和控制作用。工控機讀控制信號(低電平有效)邊接到SN74HC245的DIR(方向控制端),而門控信號接信號CS245。CS245W信號是I/O端口讀寫信號和接口地址譯碼信號產生的信號。當讀有效為低電平時,8254的數據可通過SN74HC245輸入到計算機;讀有效為高電平時,計算機的數據輸出。CS245實現只有計算機與8254交換數據時,選通SN74HC245的門控信號G,使之三態門打開。

  (2)端口地址譯碼電路

  采用GAL22V10芯片實現接口地址譯碼,為細分辨向電路提供時鐘CLK信號;為8254的片選線一起確定8254的地址。接口電源理圖見圖2。

  GAL器件是一種高性能的理想PLD產品。GAL器件采用E2CMOS工藝,可進行反復的編程和擦除,且具用低功耗、高速的特點。常用GAL器件有GAL16V8、GAL20V8、GAL22V10等。

  GAL16V8、GAL20V8的使用方泛。但對于某些應用場合,這兩種GAL芯片往往不能滿足需要,其主要不足之處:乘積項不能超過8個; 能配置的輸出引腳最多只有8個;不能對寄存器進行復位或置位操作;對反饋結構的限制較多,有些引腳不能反饋等。

  GAL22V10是一種通用型GAL器件,它可以從某種程度上解決以上提到的GAL16V8和GAL20V8不足之處。GAL22V10內部共有132個與門,且輸出管腳上的與門不是平均分配;邏輯設計表達式中“與”項最多為22個變量的邏輯乘;GAL22V10的輸出宏單元較簡潔、靈活,容易使用,不像GAL20V8在不同輸出模式下輸出反饋的種種限制。GAL22V10的輸出寵單元(OLMC)每個輸出寵單元由各自的SO和SI控制,可有4種不同的輸出工作模式??删幊痰奈恢煤蛷臀豢捎啥€與門進行統一的置位控制。

  GAL22V10的邏輯設計軟件可用ABEL(3。0版以上)或其他高級邏輯設計語言。如PROTEL公司的Protel 98/99都集成了一個CUPL邏輯設計語言。CUPL語言也是一種編譯型硬件描述語言。VHDL支持所有的PLD器件。Protel 199的PLD設計工具支持實時檢測,并給出錯誤提示。通過其中的PLD-CUPL Wizard可很快捷地建立基于原理圖或文本方式的PLD設計文件,對這個文件進行編譯,就可得到符合工業標準的JEDEC文件(*。JED)。
 

  ABEL語言是美國DATA I/O公司的一種高級編譯型邏輯設計語言,它以其方便、靈活、易于掌握的特點,深受硬件邏輯設計者的喜愛。利用它高度結構化的語言、靈活多樣的邏輯描述形式可很容易地編寫出Abel原文件,編譯過程對用戶的邏輯設計進行語法檢查、邏輯化簡、自動成符合JEDEC標準的JED文件中的錯誤,或發現可能產生幫障的隱患,以提高設計的可靠性。ABEL軟件是通用的PLD器件設計軟件,高版本的ABEL幾乎可支持任何一種PLD器件。

  不論選用那一種設計語言,最后都要生成JEDEC格式文件,才能能過編程器燒入PLE器件。

  3 結束語

  針對精密度數控機床伺服系統對位置反饋要求精度高、實時性好的特點,設計智能接口模塊來處理光柵尺信號,然后將其輸入工控機。在接口電路中利用GAL22V10芯片,可實現I/O端口控制和地址譯碼。GAL器件的使用,實現了用一片芯片代替幾個芯片,不僅減小了接口電路的體積,簡化了電路的設計,且減少了級延遲,提高了系統處理速度。

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