光栅尺在数控线切割机床的闭环应用

　　目前在线切割机中当系统发出一个进给指令,经驱动电路功率放大,驱动电机旋转一个角度,再经齿轮减速装置带动丝杠旋转,通过丝杠螺母机构转换为机床的直线位移。机床各个轴的移动速度与位移量由输进脉冲的频率与脉冲数所决定。此时机床的信息流是单向的,即进给脉冲发出后,实际移动值不再反馈回来。系统对机床的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。为了进步机床的精度，采用直线电机和位置检测元件组成闭环系统。它消除了旋转电机齿轮间隙带来的误差，减小了系统的惯性，改善了系统的动态性能。电性能否精确定位，取决于位置反馈是否精确，光栅尺精度高、价位低、性能优良、故其成为首选传感器，以实现位置信号的反馈。

　　光栅尺信号输出频率很高，如直接给工控机读取，实时性难以保证，采用高性能工控机虽能实现，但需编制大量程序。设计光栅尺接口模块，能实现信号的细分、辩向、位置的计算与显示。模块是独立工作的，上位机何时需要数据，通过数据总线直接读取即可。既保证控制系统的实时性，进步了系统的反应速度。采用的光栅尺分辨率为1μm。

1 光栅尺信号

　　光栅尺输出信号是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的丈量来测出移动的相对位移。计数器所计数乘以光栅距即为直线电机所走的位移。

　　输出信号是相位角相差90o时，方向为正，反之为负。Z信号作为校准信号以消除累积误差。

　　在A信号怕下降沿采集B信号，就可判定出运动方向。当A信号的上升沿及下降沿均比B信号超前1/4W，在A信号下降沿采集的B信号为“1”，此时为正向运动；A信号的上升沿及下降沿均比B信号滞后1/4W，在A信号下降沿采集到的B信号为“0”，此时为反向运动。根据采集到的运动信号方向和A信号变化的周期数用计数器进行计数（正向计数或逆向计数），就可测算出总位移。

2 接口模块整体结构

　　光栅尺输出信号的丈量和处理需经过：滤波、整流，细分辨向电路，计数电路，接口电路，实现与系统总线的交换。接口模块原理图见图1。

　　2.1 细分辨向电路

　　光栅尺信号的细分与辨向是进步光栅尺丈量精度的关键性一步。光栅辨向和细分电路的设计中，有的设计把辨向和细分电路分开，辨向电路只对光栅尺的输出信号进行辨向，而不对细分后的脉冲信号进行辨向，这样实现的丈量误差还是光栅尺的栅距。在考虑辨向功能时，应对细分后的信号进行辨向设计，否则不能进步丈量精度。此处为细分辨向电路设计的重点。

　　以X轴输出信号为例。光栅尺输出的相差为90o的方波信号XA和XB，经RC滤波和6N137快速光耦，消除输进信号中尖脉冲带来的影响，进步系统的抗干扰性能。通过4倍频电路实现精度的担高，原来光栅尺的分辨率为5μm，倍频后分辨率变为1.25μm。译码电路为(GAL1.22V10提供时钟CLK。电机的运动方向由辨向电路来实现。当光栅尺正向运动时，从I/O端口输出脉冲序列PX；当光栅尺反向运动时，从I/O端口输出脉冲序列NX。

　　2.2 计数电路

　　本系统中采用8254实现计数功能。正反向脉冲PX，NX分别作为计数器8254的时钟CLK，输出信号即为位移的脉冲数。地址线A0、A1与8254的片选取线一起确定8254的地址。

　　2.3 接口电路

　　设计接口电路时，主要考虑3方面因素；

　　（1）总线负载。当CPU读插件板上的内存或接口时，内存芯片式接口芯片将数据传送到系统总线的数据总线上，此时数据总线上的所有负载都将成为内存芯片式接口芯片的负载。为了保证总线的正常工作，在接口电路中要增加双向数据驱动。

　　（2）总线的竞争。PC机属于独立式I/O接口寻址方式，对一个地址，计算机可有I/O读写、DMA读写和存储器读写，它们地址译码中加进AEN信号，避免DMA操纵不会选通I/O地址。存储器I/O接口地址易产生混淆，利用硬件电路进行存取，避免了总线竞争。只当CPU读接口卡时，才答应通向系统数据线的三态门导通，其他任何时刻这些三态门必须呈现高阻状态。

　　（3）接口保护。接口电路还应考虑由于接口电路出现故障或工作时的误动作对计算机造成的损坏。