机床定位控制中的智能光栅测控系统

　　现代化工业在机床设备的精度、效率、可靠性和经济性等方面，提出了越来越高的要求，实现机床设备数控化、自动化是必然的发展方向。定位精度是机床精度的一项重要指标，它综合反映了机床构件和进给系统的精度及动态特性，靠常规的机械设计技术难以达到要求。笔者采用以微处理器为核心，以光栅尺为检测元件，以步进电机为驱动部件，由控制软件作支持的智能光栅测控系统，对机床运动部件进行定位控制。该系统性能可靠，操作方便，通用性强，具有一定的工程实用价值。  

　　1智能光栅测控系统硬件配置  

　　采用主从机控制方式进行机床定位控制。这种方式与单机控制相比有许多优点：采用单片机进行现场检测和控制，体积小、设计方便、运行可靠、具有较强的抗干扰能力；IBM-PC微机通过友好的用户界面显示和处理数据、设置参数，十分方便。这样不仅简化了单片机的软件及硬件设计，而且为系统向遥控、多微机系统及“个人仪器(个人计算机和仪器结合)”发展奠定了基础。  

　　从线位移光栅尺获取的信号是幅值为3～5V、分辨率为20μm，相位角差为90°的两路正弦信号。为了满足控制精度要求，得到分辨率更高的位移信号，须将光栅尺输出信号进行细分。考虑到细分速度及实际测量过程中电源波动、光强、温度等因素对光栅尺输出信号的影响，采用硬件细分。  

　　将光栅尺输出的两路正弦信号进行放大整形，然后经过稳压移相电路输出相位差依次为18°的十路正弦信号，输入后面五倍频电路，得到分辨率为4μm，相位角差为90°的两路方波信号。再经四倍频电路输出分辨率为1μm的一路方波信号。由两片CD4081与门芯片构成辨向电路，辨向方法如下：设光栅尺正向移动时①超前②，此时信号③为高电平，信号⑤为低电平。④和③相与得到正向移动的20倍频信号⑥，④和⑤相与得到反向移动信号⑦，此时反向无信号；光栅尺反向移动时②超前①，③为低电平，⑤为高电平，则⑥为低电平，此时正向无信号，⑦为反向移动的20倍频信号。辨向后，信号⑥、⑦经光电隔离进入四位二进制同步计数器74LS193中进行计数，再经锁存器锁存后送入单片机。设刀具的最大行程为2000mm，为了满足1μm的计数精度，需将6片计数器芯片串联使用，采用4049非门对其进行驱动。  

　　采用四相反应式步进电机，电机的4个线圈用符号Q0、Q1、Q2、Q3表示。8098单片机具有优异的控制性能，它的高速输出单元HSO可产生0～1和1～0的高速跳变(2μs)，用HSO.0、HSO.1、HSO.2和HSO.3引脚分别驱动步进电机的Qi(i=0,1,2,3)线圈。通过设置HSO命令表和时间表，使HSO.i口上1和0的分布时序产生步进电机4个线圈通断电的适当时序，从而产生精确的转动步距，电机转速(即步距时间)由时间表中的时间字确定。步进电机的驱动电源为效率很高的恒流斩波式电源。  

　　8098单片机与IBM-PC微机通过串口实现通信。8098单片机的P2.0和P2.1管脚具有双重功能，在控制寄存器作用下，可作为TXD和RXD。PC机上所带RS-232C接口采用EIA电平逻辑，而8098串口其输入输出均为TTL电平，所以两机通信时必须经过电平转换。采用TSC232集成芯片，该芯片仅用+5V电压供电，其内部有两组电压转换电路，即+5V到+10V转换和+10V到-10V转换，很适合EIA电平与TTL电平之间的转换，且外围电路简单，工作电流仅5mA。  

　　2智能光栅测控系统软件设计

　　系统软件主要有初始化程序、故障诊断程序、采样程序、数据处理程序、模糊控制程序、步进电机控制程序、串行通信程序等。  

　　在初始化程序中对计数器清零，并对CPU及CPU内部各寄存器进行设定，使系统处于预定的工作状态。故障诊断程序采用开机自检方式对系统的软件、硬件进行检测，若有故障就给出报警并显示故障位置。数据处理程序包括数制转换、尺寸单位切换、数值代数运算、函数运算、定点浮点数运算等。  

　　模糊控制器具有对过程参数改变不敏感、对过程模型要求不精确、响应速度快、超调小等优点，且简单易于实现，在很多情况下比传统控制更为有效。笔者采用双输入、单输出模糊控制器对机床进行定位控制。选定合适的控制规则，离线求出模糊控制表，将其存入程序存储器中。系统工作时，通过采样程序实时读取来自计数器的位移信号，这个位移值与主机设定值之差为误差，计算出误差变化率，经量化后查表确定控制率，即确定步进电机的转速和转向。步进电机控制程序由环行分配程序和速度控制程序组成，其控制目的是①可以四相八拍方式运行；②速度可调；③方向可变；④按预置要求完成行走步数。  

　　设步进电机按四相八拍运行时通电顺序如下：正转Q0-Q0Q1-Q1-Q1Q2-Q2-Q2Q3-Q3-Q3Q0；反转Q0-Q0Q3-Q3-Q3Q2-Q2-Q2Q1-Q1-Q1Q0。以此可设置HSO命令表，命令字节依次放入存储单元，同时将命令字节对应的存储单元地址作为电机通电状态序号存入寄存器REG1，电机进给方向符号存入寄存器REG2，“0”为正转，“1”为反转。分析机床加工对速度的各种要求设置HSO时间表，时间字放入存储单元。程序运行时，根据当前控制率对REG2重新赋值，并以定时器T1为基准时间把合适的时间字装入HSOTIME以设定以后的步距时间。从REG1中查到当前序号，再由REG2中的值决定进给方向：正转时序号加1，反转时序号减1，若加1或减1超出命令字节存储单元地址范围，则使HSO部件产生中断，中断服务子程序再次取命令表装入CAM并重置REG1，使电机能不断运行。根据加1或减1得到的新地址查命令表取得新的通电状态(命令字节)，把新的通电状态装入HSOCOM，HSO.i何时置0或1由步距时间定，如此完成走一步的任务。  

　　主从机通过串行通信程序进行信息交换，为此两者必须预先制定通信约定：数据传输格式、传输速率以及各自的工作方式。对于8098单片机，首先将IOC1.5和REN置1，以确定TXD和RXD端；再送命令字节至SP-CON寄存器确定串行口工作方式，并将波特率常数装入BAUD-RATE寄存器设置波特率；最后设置中断服务程序入口地址和中断屏蔽寄存器等，以中断方式对SBUF[RX]/SBUF[TX]进行读/写操作。对于IBM-PC机，可调用BIOS中INT14H的00H功能对串行口进行初始化，调用03H功能获取串行口状态；然后直接读取BIOS数据区获得串行口的地址情况，对串行口进行操作。为了保证主从机通信的正确性，使两者能可靠地实现联络，还设计了软件握手程序。  

　　3试验、结果与分析  

　　智能光栅测控系统的软件、硬件联机调试后，笔者以SEME-400/400型通用机械滑台为被控对象，参照国家标准“数字控制机床位置精度的评定方法”进行了系统轴向定位精度试验。  

　　3.1试验方法  

　　(1)试验条件：滑台快进速度为50r/min，工件进给速度为15r/min，工件进给行程为35mm，零件加工尺寸为10mm。  

　　(2)根据机械滑台的结构特性和工艺特性，位置检测按单方向进行并采用阶梯循环检测方式。  

　　(3)将测量工具安装在工作位置上，沿坐标全程检测滑台的位置数据。为了使周期误差得到充分反映，每个目标位置Pj应按下式选取：  

　　Pj=j.t+r+L  

　　式中，j为目标位置序号；t为目标位置间距，应取整数；r为任意十进制小数，位数与最小设定单位(μm)相当，每个目标位置取不同值；L为零件的加工尺寸。  

　　(4)采用各定位点取平均方差的方法进行数据处理。  

　　3.2试验结果  

　　根据国家标准(GB10931—89)进行直线运动位置精度检测时，如果行程≤1000mm，定位点数及定位点测量次数均应≥5。所用滑台行程为400mm，故轴向取6个定位点，每个定位点重复测量5次，求出各点的平均偏差和标准偏差。中间的实线为平均偏差线，上面的虚线为平均偏差加3倍标准偏差线，下面的虚线为平均偏差减3倍标准偏差线。由此可得：单向定位精度Au为12.56μm，重复定位精度R为9.099μm。  

　　3.3结果分析与结论  

　　系统的定位误差是由多方面因素造成的。首先，在步进电机与滑台之间有传动轴、键、轴承、支承导轨等结构部件，有滚珠丝杠和螺母等传动部件。结构部件的位置和尺寸误差及传动部件的间隙和变形是造成定位误差的主要原因；其次，滑台结构系统误差会导致一定的定位误差；另外，光栅尺安装不当、自重变形及控制系统的误差也会产生影响。  

　　经过试验比较，在相同情况下，原系统定位精度为25.54μm，加上智能光栅测控系统后精度提高了1倍，而成本只增加了2000元左右。这说明，本系统设计合理，其软件、硬件的开发是成功的。   

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