【正文】 。物理光柵的刻線細(xì)而密，柵距（兩刻線之間的距離）在 ~ 之間，通常用于光譜分析和光波波長的測定。計量光柵的刻線較粗，柵距在 ~ 之間，通常用于數(shù)字檢測系統(tǒng) 中 直線位移和角度位移 的測量 。計量光柵按形狀可分為長光柵和圓光柵。長光柵用于直線位移測量 ，圓光柵用于角位移測量。 使用光柵測量有如下優(yōu)點： （ 1） 測量精度高 由于利用莫爾條紋原理，莫爾條紋是許多刻線綜合作用的結(jié)果，故對誤差有均化作用，因此利用莫爾條紋信號所測量的位置精度高。 （ 2） 讀數(shù)速度高 莫爾條紋的取數(shù)率一般取決于光電接收組件和所使用電路的時間常數(shù)，能適用于動態(tài)測量定位系統(tǒng)。 （ 3） 分辨率高 常用的光柵節(jié)距為 10～ 50μm 細(xì)分后很容易做到 1 ～ 的分辨率，最高分辨率可達(dá)到 。 （ 4）讀數(shù)易于數(shù)字化、自動化 莫爾條紋信號接近正弦信號，可 在 光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)字 化 處理 ， 以數(shù) 字形式輸 出到微機(jī)系統(tǒng)， 穩(wěn)定可靠。 光柵位置檢測裝置由光源、標(biāo)尺光柵（長光柵）、指示光柵（短光柵）和光電組件等組成。標(biāo)尺光柵、指示光柵分別固定在機(jī)床的不動件上和移動部件上 ， 重疊且保持一定間隙，并使兩光柵之間有一個很小的夾角 θ。當(dāng)平行光垂直照射光柵時，在光柵的另一面就會出現(xiàn)若干條與刻線垂直的明暗相間的粗大條紋，這種粗大的明暗條紋稱為莫爾條紋，它是光柵測量的基礎(chǔ)。光柵每移動一個柵距 ω 莫爾條紋就移動一個條紋間距 B，兩者的運動關(guān)系相對應(yīng)。摩爾條紋的光強(qiáng)信號經(jīng)光電組件轉(zhuǎn)換為正弦波電信號，電信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗笞兂煞讲ㄐ?號，使之成為計數(shù)脈沖，最后送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。在測量中，讀取該計數(shù)值，然后按 脈沖 當(dāng)量換算成實際的位移量。 從減小分辨率即儀器的脈沖當(dāng)量的角度出發(fā)，光柵的柵距 ω 越 小 越好，這樣便于細(xì)分。但是 如果 柵距太小，會造成刻線困難，同時使莫爾條紋的反差減 小 ， 受 光柵副間隙變化 的 影響 增 大，所以對機(jī)械部分的 導(dǎo)向 精度要求 很 高。 實際使用時應(yīng)根據(jù)需要合理選用 光柵 。 在要求高精度的測量時，高分辨率的傳感器固然必不可少，但由于一般長光柵的柵距大多在 4181。m 以上，圓光柵的柵距角大多在 20以 上。這樣的分辨力顯然不能滿足測量的要求。在實際的測量 系統(tǒng)設(shè)計中 不可能僅靠增加?xùn)啪€密度來實現(xiàn)高分辨率。為了實現(xiàn) 精密 測量必 須采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)來提高系統(tǒng)的分辨率。所謂細(xì)分技術(shù)，就是 莫爾條紋 在單位周期內(nèi) 時，不 只 輸出一個脈沖 ， 而是輸出若干個脈沖， 從而 減小脈沖當(dāng)量， 即 提高分辨率。近年來莫爾條紋細(xì)分技術(shù)日益成熟，細(xì)分方法 日益 完善，對一個柵距可 做到 幾十到幾百等分的細(xì)分。常用的細(xì)分方法有： 電阻鏈移相細(xì)分、電平切割細(xì)分、脈沖填充法細(xì)分、微型計算機(jī)細(xì)分和集成芯片細(xì)分。 在選擇細(xì)分方法時應(yīng)注意：高精度集成細(xì)分芯片對原始信號質(zhì)量要求較高，其它運動控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 17 方法對信號質(zhì)量相對要求較低，但電路板 要自己制作、調(diào)試，周期較長。 這里采用了電阻鏈細(xì)分的方法， 其工作原理是：在電阻鏈的兩端施加 不同 相位（通常相差 90 度）、相同 頻率的交流信號，由于兩信號的疊加作用，可得幅值和相位都不相同的電信號。這些電信號經(jīng)整形后， 再經(jīng)過門電路網(wǎng)絡(luò)的處理， 就能 在輸入信號的單位周期內(nèi) 獲得若干計數(shù)脈沖，也就實現(xiàn)了細(xì)分。它的主要特點是電路簡單 可靠，成本較低，但這種細(xì)分受信號質(zhì)量影響較大。對于細(xì)分?jǐn)?shù)比較少的，可采用此種方法。典型的處理過程如圖 35 所示： 細(xì)分電路一般輸出兩路正交 的方波信號，在控制系統(tǒng)中，光柵信號往往要傳送幾米甚至幾十米，再加上電氣干擾，光柵信號在傳到控制卡上計數(shù)時，一般都不能進(jìn)行正常計數(shù)。而計數(shù)的準(zhǔn)確性又是一臺測量儀器至關(guān)重要的一環(huán)。所以為了增強(qiáng)抗干擾能力，方波在進(jìn)入計數(shù)器前，必須對其進(jìn)行差動處理，以減小由于長線傳輸 而引入 的共模信號 干擾 。 這里使用了 AM26LS31 芯片將原來的兩路細(xì)分信號 A/B 變?yōu)?A+/A，B+/B，然后輸出給運動控制器的相應(yīng)端口，完成倍頻細(xì)分辨向功能 。 近年來，許多生產(chǎn)廠商把光柵信號的處理及細(xì)分集成到 指示光柵（俗稱“讀數(shù)頭”）上，這 時 的 輸出信 號 已經(jīng)是 正交的方波 信號 ，可直接送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。這樣的 指示光柵 性能可靠穩(wěn)定，體積小巧， 對于用戶來說 十分 方便，不再需要額外的細(xì)分電路，已經(jīng)成為未來的發(fā)展 趨勢。 本 次課題中，采用了英國 RENISHAW 精密光柵 （如圖 36） 。 該光柵采用金屬反射式結(jié)構(gòu)，指示光柵 上設(shè)有一個狀態(tài)指示燈，可以反映當(dāng)前光柵是否能夠正常工作等簡單信息，方便 維修人員 對 指示光柵 的位置進(jìn)行調(diào)整，相比與玻璃光柵進(jìn)步很多。以長光柵為例，其 柵距為 20um，輸出信號為兩兩正交的 sin 和 cos 信號，通過后續(xù)的電路處理，配合運動控制卡的四倍頻功能，可使最 終分辨率提高到 ，有效的提高了運動控制精度。 放大電路移相電路電平比較門電路網(wǎng)絡(luò)倍頻細(xì)分辨向正 弦 波 細(xì) 分 信 號 圖 35 電阻鏈移相細(xì)分流程圖 Fig. 35 Flow Chart of Phase Modulation with Resistor Chain 圖 36 RENISHAW 光柵 Fig. 36 RENISHAW Position Encoders 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 b 光柵弱小零位信號的處理 本課題中的運動控制器選用了美國 Galil 公司的 DMC18X2 系列產(chǎn)品， 為便于信號連接，還使用了與之配套的 PICM3900 互聯(lián)模塊 【 20】 。 對 該模塊通過 100 針信號電纜與 DMC數(shù)字運動控制器相連接，用戶通過 4 個 15Pin 的 D 型連接器與伺服驅(qū)動器或步進(jìn)驅(qū)動器相連接來控制四個軸， 1 個 37Pin 的 D 型連接器與外部輸入信號相連接，其中包括 8 個輸入點、 8 個模擬輸入信號、 4 個軸的正、負(fù)限位、回零輸入信號以及控制器復(fù)位和急停輸入信號； 1 個 12Pin 的 Phoenix 連接端子 作 為輸出口連接器，與外部信號相連接，控制 8個輸出點和控制器的報警輸出信號。同時對所有 TTL 電平輸入 /輸出信號進(jìn)行光電隔離電路處理，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力，用戶也可以很方便地實現(xiàn)外部信號與 DMC 數(shù)字運動控制器之間接口。 由于測量過程的需要，每次齒輪測量中心啟動時，都需要 進(jìn)行回 零 操作 。對零位位置的檢測，是通過光柵讀數(shù)頭和專用的磁性 零位貼完成的。其具體 的 互連 原理 如圖 37 所示。 當(dāng)光柵讀數(shù)頭沒有移動至 零位 位置時，讀 數(shù)頭所輸出的零位信號為 0V， 相當(dāng)于圖 37中 HMSX 開關(guān)閉合，光隔中二極管兩端的壓降使光隔導(dǎo)通，這樣光隔右側(cè)的三極管導(dǎo)通，其集電極電壓為 0V，即 PICM3900 中零位信號端口的輸入電壓始終為 0V；當(dāng)光柵讀數(shù)頭移動至 零位 位置時，讀數(shù)頭輸出一個幅值 約為 5V、 周期 約 為 秒 的 階躍 信號，這時HMSX 開關(guān) 相當(dāng)于經(jīng)歷一次 斷開 與閉合 ，光隔中二極管 截止然后導(dǎo)通， 光隔右側(cè)的三極 圖 37 隔離型輸入信號電氣連接 【 20】 Fig. 37 Electric Insulation of Input Signal【 20】 運動控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 19 管 也產(chǎn)生一次同樣的變化 ，其集電極電壓 由 0V 變至 5V，再 變?yōu)?0 伏 ，即 PICM3900 中零位信號端口的輸入電壓 發(fā)生同樣的變化，運動控制器檢測到零位信號 的這樣一次跳變過程， 正確識別回零動作 。 實驗發(fā)現(xiàn) ， 只要 運動控制器 能夠 檢測到回零信號的一次跳變 就能正確回零 。 但實際使用時，由于光柵的零位（ HOME）信號很微弱，帶負(fù)載能力不強(qiáng)，在外加直流電源（圖中為 DC24V）的 影響 下，會將 平時的零位信號 由 0V拉高至大約 2V左右，這時光隔中二極管 始終處于 截止 狀態(tài) ， 即使讀數(shù)頭運動到零位位置也是如此， 所以PICM3900 中的相應(yīng)端口總是高電平 無變化 ，檢測不到零位（ HOME） 信號 的 跳變 ，從而不能正確回零。 在此利用光柵信號細(xì) 分板上的 74LS04（ 非門 ） ，光柵讀數(shù)頭 零位輸出 信號先經(jīng)過非門，提高其帶負(fù)載能力， 使其信號特性符合理論情況 ，在零位位置處能夠產(chǎn)生所需的跳變信號，被運動控制器識別 。 頂尖自動運動控制 與轉(zhuǎn)臺頂尖對應(yīng)的立柱上頂尖，在測量過程中 不但 需要和轉(zhuǎn)臺下頂尖有良好的同軸度（主要靠機(jī)械設(shè)計保證） ， 而 且 它 們之間應(yīng)該 保持 一定的 夾持 力 夾緊芯棒 。 這個力的大小要適當(dāng)，如果太大，會 使 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)困難，容易造成電機(jī)的損壞；過小會使被測齒輪所在的心棒頂尖孔內(nèi)間隙過大，造成旋轉(zhuǎn)時 芯棒 搖擺，破壞測量精度。所以，需要設(shè)計一套能夠?qū)α⒅享敿?運動進(jìn)行自動控制的裝置，使得當(dāng) 夾持 力達(dá)到一定程度時，頂尖自動停止，同時在測量完畢時，控制頂尖自動升起，減輕操作人員的體力負(fù)擔(dān)，提高整機(jī)的自動化程度。一套實用的控制邏輯如圖 38 所示 ，它只負(fù)責(zé)頂尖運動的控制，不會對測控系統(tǒng)的其它部分產(chǎn)生作用。 表 31 信號狀態(tài)說明 Signal State Show 理論情況 實際使用時的問題 讀數(shù)頭零位輸出信號 光電隔離器三極管輸出信號 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 上圖所示的控制邏輯的原理如下： STOP 鍵負(fù)責(zé)該運動系統(tǒng)的電源供應(yīng)，它的通斷直接影響整個系統(tǒng)能否工作。 STOP 鍵按下， 繼電器 1KM 的常閉開關(guān)斷開，整個系統(tǒng)斷電；反之系統(tǒng)通電。 UP/DOWN 鍵控制頂尖的上下移動。 UP/DOWN 鍵抬起時，繼電器 2KM失電， 頂尖向上運動，當(dāng)觸碰到上限位置開關(guān)時，繼電器 3KM 得電，其常閉開關(guān)斷開，頂尖停止向上運動； UP/DOWN 鍵按下時，繼電器 2KM 得電，其常閉開關(guān)斷開，常開開關(guān)閉合，頂尖向下運動，當(dāng)觸碰到下限位置開關(guān)或頂尖壓力開關(guān)閉合時，繼電器 4KM 得電，其常閉開關(guān)斷開，頂尖停止向下運動。 并且，為保證上下頂尖的同軸度良好，上頂尖所在的運動機(jī)構(gòu)采用了鑄鐵材質(zhì)的 構(gòu)件 ，它不易變形，性能穩(wěn)定。但是由于其自重較大，在沒有電機(jī)作用的情況下，會 自然 向下移動，可能發(fā)生危險或損壞儀器，所以在傳動絲杠上增加 了一個電磁制動器 YB，當(dāng) STOP鍵按下或頂尖運動到上、下限位 而停止 時，電磁制動器 YB 斷電， 鎖緊絲杠，防止上頂尖下 落。 頂尖移動過程中對其位置精度并沒有嚴(yán)格要求，驅(qū)動電機(jī)只選用了一般的小型交流電機(jī)，完成換向功能。 A C 2 2 0 VL 1S T O P1 K M1 K M3 K M4 K M2 K M3 K M4 K MU P / D O W NU p L i m i tD o w n L i m i t2 K M 3 K M4 K M2 K MML 3D C 2 4 VP r e s sY B 圖 38 上頂尖自動運動控制原理 Automatic Control Principle of Up Header 運動控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 21 測頭保護(hù)軟件設(shè)計 齒輪測量中心所使用的電感測頭，對測量結(jié)果的精度有很大影響，所以為了保證測量中心的正常工作，使用時對測頭的保護(hù)還是很有必要的。電感測頭的損壞，多數(shù) 原因是 測頭所在的運動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了錯誤的動作，與被測工件或機(jī)床床身 發(fā)生碰撞 。此外，如果 被測工件的精度尺寸超過了測 頭的測量范圍，使得測量精度下降，測量結(jié)果不再可信。 并且 ，系統(tǒng)也不允許在機(jī)床靜止時，操作人員觸碰測頭。根據(jù)以上 幾種 常見現(xiàn)象，在齒輪測量 中心的測控軟件中加入了對測頭的保護(hù)程序，希望能夠起到一定的作用， 其軟件流程圖如圖39 所示。 讀 取 測 頭 變 形 量正 在 進(jìn) 行 測 量 ？超 出 測 量 精 度 范 圍 ？超 過 設(shè) 定 閥 值報 警 提 示 對 話 框停 止 運 動切 換 到 手 動 模式提 示 用 戶 手 動退 出擦 除 運 動 程 序正 在 移 動 ？中 斷 返 回定 時 器 中 斷NNNN圖 39 測頭保護(hù)功能軟件流程圖 Software Flow Chart of Probe Protection 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 該程序的具體實現(xiàn)方法是，在主程序中設(shè)置一個時鐘中斷，該時鐘中斷服務(wù)程序查詢當(dāng)前測量中心的一些重要的狀態(tài)信息，如各運動軸的位置坐標(biāo)，測頭變形量等，通過和其它一些狀態(tài)信息綜合，判斷出測頭是否需要保護(hù)，進(jìn)而做出相應(yīng)的動作。 氣壓監(jiān)控與急停邏輯 為保證其 測量精度， 齒輪測量中心 采用了高精度氣浮 靜壓 轉(zhuǎn)臺，可以有效的減小摩擦力矩 。 在使用過程中，對轉(zhuǎn)臺氣浮軸承的工作 氣壓 是有 要求 的，當(dāng)氣壓達(dá)不到 額度值 時，不允許進(jìn)行操作，所以要 設(shè)計 氣壓監(jiān)控 系統(tǒng) 來保護(hù) 機(jī)床 。并且，當(dāng)運動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生錯誤動作時，為防止產(chǎn)生不良后果，也需要操作人員迅速采取措施使機(jī)器停止 運動。 如 圖 310 所示為 本課題中應(yīng)用的氣壓監(jiān)控與急停邏輯的示意圖。 該功能單元的邏輯原理如下