機床定位控制中的智能光柵測控系統

    現代化工業在機床設備的精度、效率、可靠性和經濟性等方面，提出了越來越高的要求，實現機床設備數控化、自動化是必然的發展方向。定位精度是機床精度的一項重要指標，它綜合反映了機床構件和進給系統的精度及動態特性，靠常規的機械設計技術難以達到要求。筆者采用以微處理器為核心，以光柵尺為檢測元件，以步進電機為驅動部件，由控制軟件作支持的智能光柵測控系統，對機床運動部件進行定位控制。該系統性能可靠，操作方便，通用性強，具有一定的工程實用價值。 

    1智能光柵測控系統硬件配置 

    筆者采用主從機控制方式進行機床定位控制。這種方式與單機控制相比有許多優點：采用單片機進行現場檢測和控制，體積小、設計方便、運行可靠、具有較強的抗干擾能力；IBM-PC微機通過友好的用戶界面顯示和處理數據、設置參數，十分方便。這樣不僅簡化了單片機的軟件及硬件設計，而且為系統向遙控、多微機系統及“個人儀器(個人計算機和儀器結合)”[1]發展奠定了基礎。 

    從線位移光柵尺獲取的信號是幅值為3～5V、分辨率為20μm，相位角差為90°的兩路正弦信號。為了滿足控制精度要求，得到分辨率更高的位移信號，須將光柵尺輸出信號進行細分。考慮到細分速度及實際測量過程中電源波動、光強、溫度等因素對光柵尺輸出信號的影響，采用硬件細分[2]。 

    光柵信號采集處理原理見圖2。將光柵尺輸出的兩路正弦信號進行放大整形，然后經過穩壓移相電路輸出相位差依次為18°的十路正弦信號，輸入后面五倍頻電路，得到分辨率為4μm，相位角差為90°的兩路方波信號，即圖2中的①、②。再經四倍頻電路輸出分辨率為1μm的一路方波信號，即圖2中的④。由兩片CD4081與門芯片構成辨向電路，辨向方法如下：設光柵尺正向移動時①超前②，此時信號③為高電平，信號⑤為低電平。④和③相與得到正向移動的20倍頻信號⑥，④和⑤相與得到反向移動信號⑦，此時反向無信號；光柵尺反向移動時②超前①，③為低電平，⑤為高電平，則⑥為低電平，此時正向無信號，⑦為反向移動的20倍頻信號。辨向后，信號⑥、⑦經光電隔離進入四位二進制同步計數器74LS193中進行計數，再經鎖存器鎖存后送入單片機。設刀具的最大行程為2000mm，為了滿足1μm的計數精度，需將6片計數器芯片串聯使用，采用4049非門對其進行驅動。 

    筆者采用四相反應式步進電機，電機的4個線圈用符號Q0、Q1、Q2、Q3表示。8098單片機具有優異的控制性能，它的高速輸出單元HSO可產生0～1和1～0的高速跳變(2μs)，用HSO.0、HSO.1、HSO.2和HSO.3引腳分別驅動步進電機的Qi(i=0,1,2,3)線圈，見圖3。通過設置HSO命令表和時間表，使HSO.i口上1和0的分布時序產生步進電機4個線圈通斷電的適當時序，從而產生精確的轉動步距，電機轉速(即步距時間)由時間表中的時間字確定。步進電機的驅動電源為效率很高的恒流斬波式電源。 

    8098單片機與IBM-PC微機通過串口實現通信。8098單片機的P2.0和P2.1管腳具有雙重功能，在控制寄存器作用下，可作為TXD和RXD。PC機上所帶RS-232C接口采用EIA電平邏輯，而8098串口其輸入輸出均為TTL電平，所以兩機通信時必須經過電平轉換。采用TSC232集成芯片，該芯片僅用+5V電壓供電，其內部有兩組電壓轉換電路，即+5V到+10V轉換和+10V到-10V轉換，很適合EIA電平與TTL電平之間的轉換，且外圍電路簡單，工作電流僅5mA。 

    2智能光柵測控系統軟件設計[3，4] 

    系統軟件主要有初始化程序、故障診斷程序、采樣程序、數據處理程序、模糊控制程序、步進電機控制程序、串行通信程序等。 

    在初始化程序中對計數器清零，并對CPU及CPU內部各寄存器進行設定，使系統處于預定的工作狀態。故障診斷程序采用開機自檢方式對系統的軟件、硬件進行檢測，若有故障就給出報警并顯示故障位置。數據處理程序包括數制轉換、尺寸單位切換、數值代數運算、函數運算、定點浮點數運算等。 

    模糊控制器具有對過程參數改變不敏感、對過程模型要求不精確、響應速度快、超調小等優點，且簡單易于實現，在很多情況下比傳統控制更為有效。筆者采用雙輸入、單輸出模糊控制器對機床進行定位控制。選定合適的控制規則，離線求出模糊控制表，將其存入程序存儲器中。系統工作時，通過采樣程序實時讀取來自計數器的位移信號，這個位移值與主機設定值之差為誤差，計算出誤差變化率，經量化后查表確定控制率，即確定步進電機的轉速和轉向。步進電機控制程序由環行分配程序和速度控制程序組成，其控制目的是①可以四相八拍方式運行；②速度可調；③方向可變；④按預置要求完成行走步數。 

    設步進電機按四相八拍運行時通電順序如下：正轉Q0-Q0Q1-Q1-Q1Q2-Q2-Q2Q3-Q3-Q3Q0；反轉Q0-Q0Q3-Q3-Q3Q2-Q2-Q2Q1-Q1-Q1Q0。以此可設置HSO命令表，命令字節依次放入存儲單元，同時將命令字節對應的存儲單元地址作為電機通電狀態序號存入寄存器REG1，電機進給方向符號存入寄存器REG2，“0”為正轉，“1”為反轉。分析機床加工對速度的各種要求設置HSO時間表，時間字放入存儲單元。程序運行時，根據當前控制率對REG2重新賦值，并以定時器T1為基準時間把合適的時間字裝入HSOTIME以設定以后的步距時間。從REG1中查到當前序號，再由REG2中的值決定進給方向：正轉時序號加1，反轉時序號減1，若加1或減1超出命令字節存儲單元地址范圍，則使HSO部件產生中斷，中斷服務子程序再次取命令表裝入CAM并重置REG1，使電機能不斷運行。根據加1或減1得到的新地址查命令表取得新的通電狀態(命令字節)，把新的通電狀態裝入HSOCOM，HSO.i何時置0或1由步距時間定，如此完成走一步的任務。 

    主從機通過串行通信程序進行信息交換，為此兩者必須預先制定通信約定：數據傳輸格式、傳輸速率以及各自的工作方式。對于8098單片機，首先將IOC1.5和REN置1，以確定TXD和RXD端；再送命令字節至SP-CON寄存器確定串行口工作方式，并將波特率常數裝入BAUD-RATE寄存器設置波特率；最后設置中斷服務程序入口地址和中斷屏蔽寄存器等，以中斷方式對SBUF[RX]/SBUF[TX]進行讀/寫操作。對于IBM-PC機，可調用BIOS中INT14H的00H功能對串行口進行初始化，調用03H功能獲取串行口狀態；然后直接讀取BIOS數據區獲得串行口的地址情況，對串行口進行操作。為了保證主從機通信的正確性，使兩者能可靠地實現聯絡，還設計了軟件握手程序。 

    3試驗、結果與分析 

    智能光柵測控系統的軟件、硬件聯機調試后，筆者以SEME-400/400型通用機械滑臺為被控對象，參照國家標準“數字控制機床位置精度的評定方法”進行了系統軸向定位精度試驗。 

    3.1試驗方法 

    (1)試驗條件[5]：滑臺快進速度為50r/min，工件進給速度為15r/min，工件進給行程為35mm，零件加工尺寸為10mm。 

    (2)根據機械滑臺的結構特性和工藝特性，位置檢測按單方向進行并采用階梯循環檢測方式。 

    (3)將測量工具安裝在工作位置上，沿坐標全程檢測滑臺的位置數據。為了使周期誤差得到充分反映，每個目標位置Pj應按下式選取： 

    Pj=j.t+r+L 

    式中，j為目標位置序號；t為目標位置間距，應取整數；r為任意十進制小數，位數與最小設定單位(μm)相當，每個目標位置取不同值；L為零件的加工尺寸。 

    (4)采用各定位點取平均方差的方法進行數據處理。 

    3.2試驗結果 

    根據國家標準(GB10931—89)進行直線運動位置精度檢測時，如果行程≤1000mm，定位點數及定位點測量次數均應≥5。所用滑臺行程為400mm，故軸向取6個定位點，每個定位點重復測量5次，求出各點的平均偏差和標準偏差。系統單方向直線運動位置精度檢測結果見圖5。圖5中，中間的實線為平均偏差線，上面的虛線為平均偏差加3倍標準偏差線，下面的虛線為平均偏差減3倍標準偏差線。由此可得：單向定位精度Au為12.56μm，重復定位精度R為9.099μm。 

    3.3結果分析與結論 

    系統的定位誤差是由多方面因素造成的。首先，在步進電機與滑臺之間有傳動軸、鍵、軸承、支承導軌等結構部件，有滾珠絲杠和螺母等傳動部件。結構部件的位置和尺寸誤差及傳動部件的間隙和變形是造成定位誤差的主要原因；其次，滑臺結構系統誤差會導致一定的定位誤差；另外，光柵尺安裝不當、自重變形及控制系統的誤差也會產生影響。 

    經過試驗比較，在相同情況下，原系統定位精度為25.54μm，加上智能光柵測控系統后精度提高了1倍，而成本只增加了2000元左右。這說明，本系統設計合理，其軟件、硬件的開發是成功的。