袁向榮

(山東英才學(xué)院機(jī)械制造與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250104)

光柵編碼器具有測量精度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、易于和計(jì)算機(jī)接口等突出優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)控系統(tǒng)中常用的一種位移傳感器，按照其測量原理又分為絕對式光柵編碼器和增量式光柵編碼器。利用絕對式編碼器能夠獲得任意位置的編碼，因此，上電即可進(jìn)入工作狀態(tài)，但普通絕對式編碼器價(jià)格偏高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜;而傳統(tǒng)的增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但上電后必須首先進(jìn)行找零以確定位置參考點(diǎn)，因此需要較長的設(shè)備初始化時(shí)間。在可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削數(shù)控系統(tǒng)中，采用了增量式光柵編碼器對刀片進(jìn)給軸進(jìn)行位移測量。對于砂輪擺動(dòng)軸，上電后需要確定其絕對位置，因此采用了一種帶距離編碼的增量式光柵編碼器代替絕對式編碼器。該編碼器上刻有帶距離編碼的參考點(diǎn)，這些參考點(diǎn)彼此相距數(shù)學(xué)算法確定的距離，軸運(yùn)動(dòng)一段微小的距離后就能計(jì)算出坐標(biāo)軸的絕對位置。文中將介紹利用增量式光柵編碼器進(jìn)行X軸回零以及W軸的找零算法及其在運(yùn)動(dòng)控制器中的編程實(shí)現(xiàn)。

1 光柵編碼器的工作原理

光柵編碼器由光源、透鏡、光柵副 (標(biāo)尺光柵和指示光柵)、光敏元件四大部分組成，光柵編碼器是基于莫爾條紋進(jìn)行工作的。將光柵常數(shù)完全一致的標(biāo)尺光柵和指示光柵疊合在一起，并使兩者的柵線間有一微小夾角，當(dāng)光線照射時(shí)，由于干涉作用在兩光柵的刻線重合處就會(huì)形成亮帶，在兩光柵的刻線錯(cuò)開處會(huì)形成暗帶，這種亮帶和暗帶就是明暗相間的莫爾條紋，如圖1所示，莫爾條紋的方向與刻線方向近似垂直，莫爾條紋的特性由光柵刻線決定。若設(shè)相鄰莫爾條紋的間距是B，則表達(dá)式為

式中:W為光柵常數(shù)，θ為兩光柵刻線的夾角。

圖1 莫爾條紋

光柵編碼器就是利用光敏元件將莫爾條紋移動(dòng)所產(chǎn)生的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為近似正弦的電信號(hào)輸出，從而間接測量位移量。這種測量方式的優(yōu)點(diǎn)是:

(1)借助莫爾條紋對位移的放大作用，能實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測量;

(2)莫爾條紋對刻線誤差的平均效應(yīng)能夠在很大程度上消除刻線的局部誤差，與直接測量相比，具有更高的測量精度。

2 可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用兩級(jí)主從式分布結(jié)構(gòu)，硬件部分主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器以及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中，工業(yè)計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)的主控制核心，主要作用是發(fā)布數(shù)控系統(tǒng)的控制指令，包括顯示人機(jī)交互界面、設(shè)置系統(tǒng)和用戶參數(shù)、文件管理、發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令和處理反饋信息等功能;運(yùn)動(dòng)控制器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的核心，對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制。

為了提高控制精度，將電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)與伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成速度環(huán)，而外部的光柵編碼器檢測的位置信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成位置環(huán)，從而組成雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

3 位置檢測元件的選取

由自動(dòng)控制原理可知，閉環(huán)控制系統(tǒng)的定位與跟隨精度主要取決于位置檢測元件的精度，所以檢測元件的選取非常重要。

在可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削數(shù)控系統(tǒng)中，X軸為刀片進(jìn)給軸，控制刀片的前后移動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上X軸上電回參考點(diǎn)，并且X軸回參考點(diǎn)的方向唯一確定，為遠(yuǎn)離砂輪的方向，因此采用增量式光柵編碼器。

W軸為砂輪擺動(dòng)軸，W軸上電時(shí)需要確定其絕對位置。在該數(shù)控系統(tǒng)中，采用了一種帶距離編碼的增量式光柵編碼器進(jìn)行位置檢測，從功能上講，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將增量式編碼器用作準(zhǔn)絕對式編碼器，可以計(jì)算得出坐標(biāo)軸的絕對位置，是對傳統(tǒng)的光柵增量式編碼器一種有效改進(jìn)。

4 找零算法及編程實(shí)現(xiàn)

4.1 X軸回零程序

X軸正確回參考點(diǎn)需要兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)為由光電開關(guān)檢測的到達(dá)參考點(diǎn)的home信號(hào)，檢測到該信號(hào)后電機(jī)開始低速前進(jìn)，這時(shí)開始捕捉編碼器的零點(diǎn)信號(hào) (Z信號(hào))，捕捉到Z信號(hào)后電機(jī)減速至零，并反方向低速旋轉(zhuǎn)，重新捕捉到Z信號(hào)的位置即為X軸的參考點(diǎn)位置，然后將坐標(biāo)值重置為系統(tǒng)的設(shè)定值。這種回零方式可以消除回零過程中電機(jī)反向所帶來的反向誤差。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的控制任務(wù)主要由運(yùn)動(dòng)控制器來完成。在運(yùn)動(dòng)控制器中實(shí)現(xiàn)X軸回零過程的程序如下:

4.2 W軸絕對位置的獲取及編程

W軸采用帶距離編碼的增量式光柵編碼器，計(jì)算坐標(biāo)軸當(dāng)前絕對位置的原理是:在光柵編碼器上刻有帶距離編碼的參考點(diǎn)，這些參考點(diǎn)彼此相距數(shù)學(xué)算法確定的距離，移過兩個(gè)參考點(diǎn)后 (通常只有數(shù)毫米)，就可以計(jì)算出坐標(biāo)軸的絕對位置。通過編碼器制造商提供的計(jì)算公式可以計(jì)算出第一個(gè)零點(diǎn)信號(hào)的位置，然后加上第一個(gè)零點(diǎn)信號(hào)到當(dāng)前的距離就可以得到W軸的絕對坐標(biāo)，帶距離編碼的增量式光柵編碼器的距離編碼如圖3所示。

圖3 帶距離編碼的增量式光柵編碼器距離編碼示意圖

若用P1表示以信號(hào)周期為單位的第一個(gè)移過的參考點(diǎn)位置;MRR表示移過的兩個(gè)參考點(diǎn)間的信號(hào)周期數(shù);N為兩個(gè)參考點(diǎn)間用信號(hào)周期數(shù)表示的名義增量值;D為正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) (+1或－1，讀數(shù)頭向右為+1)。則參考點(diǎn)絕對位置可用下列公式計(jì)算:

在運(yùn)動(dòng)控制器中獲取W軸絕對位置的程序設(shè)計(jì)如下:

5 結(jié)束語

在可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削數(shù)控系統(tǒng)中，為保證刀片進(jìn)給軸和砂輪擺動(dòng)軸的精確定位，采用了增量式光柵編碼器，并且采用了一種帶距離編碼的增量式光柵編碼器代替絕對式編碼器來確定砂輪擺動(dòng)軸的絕對位置，介紹了其找零算法及其在運(yùn)動(dòng)控制器中的編程實(shí)現(xiàn)。利用具有一定分布規(guī)律的參考刻線，在不通過編碼器零位的情況下計(jì)算出其絕對位置，這種距離編碼及其自動(dòng)找零算法不僅加速了找零過程，而且提高了編碼器的找零精度，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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