現(xiàn)代化工業(yè)在機(jī)床設(shè)備的精度溯内、效率禁漓、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面是目，提出了越來(lái)越高的要求哲嘲，實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備數(shù)控化滨胰、自動(dòng)化是必然的發(fā)展方向崭夺。定位精度是機(jī)床精度的一項(xiàng)重要指標(biāo)宁斋，它綜合反映了機(jī)床構(gòu)件和進(jìn)給系統(tǒng)的精度及動(dòng)態(tài)特性感栋，靠常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)難以達(dá)到要求。筆者采用以微處理器為核心慧男，以光柵尺為檢測(cè)元件姥仍，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件，由控制軟件作支持的智能光柵測(cè)控系統(tǒng)比摆，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行定位控制傻牙。該系統(tǒng)性能可靠，操作方便休台，通用性強(qiáng)阐泻，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。  

　　1智能光柵測(cè)控系統(tǒng)硬件配置  

　　采用主從機(jī)控制方式進(jìn)行機(jī)床定位控制征啦。這種方式與單機(jī)控制相比有許多優(yōu)點(diǎn)：采用單片機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和控制担急，體積小、設(shè)計(jì)方便侠坎、運(yùn)行可靠蚁趁、具有較強(qiáng)的抗干擾能力；IBM-PC微機(jī)通過(guò)友好的用戶界面顯示和處理數(shù)據(jù)实胸、設(shè)置參數(shù)他嫡，十分方便。這樣不僅簡(jiǎn)化了單片機(jī)的軟件及硬件設(shè)計(jì)庐完，而且為系統(tǒng)向遙控钢属、多微機(jī)系統(tǒng)及“個(gè)人儀器(個(gè)人計(jì)算機(jī)和儀器結(jié)合)”發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。  

　　從線位移光柵尺獲取的信號(hào)是幅值為3～5V门躯、分辨率為20μm淆党，相位角差為90°的兩路正弦信號(hào)。為了滿足控制精度要求生音，得到分辨率更高的位移信號(hào)宁否，須將光柵尺輸出信號(hào)進(jìn)行細(xì)分∽罕椋考慮到細(xì)分速度及實(shí)際測(cè)量過(guò)程中電源波動(dòng)慕匠、光強(qiáng)、溫度等因素對(duì)光柵尺輸出信號(hào)的影響域醇，采用硬件細(xì)分隔阔。  

　　將光柵尺輸出的兩路正弦信號(hào)進(jìn)行放大整形，然后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓移相電路輸出相位差依次為18°的十路正弦信號(hào)肖升，輸入后面五倍頻電路贵式，得到分辨率為4μm，相位角差為90°的兩路方波信號(hào)。再經(jīng)四倍頻電路輸出分辨率為1μm的一路方波信號(hào)衬榕。由兩片CD4081與門(mén)芯片構(gòu)成辨向電路脸婉，辨向方法如下：設(shè)光柵尺正向移動(dòng)時(shí)①超前②，此時(shí)信號(hào)③為高電平杈夜，信號(hào)⑤為低電平尝赵。④和③相與得到正向移動(dòng)的20倍頻信號(hào)⑥，④和⑤相與得到反向移動(dòng)信號(hào)⑦盹组，此時(shí)反向無(wú)信號(hào)弓呵；光柵尺反向移動(dòng)時(shí)②超前①，③為低電平哄避，⑤為高電平茉漂，則⑥為低電平，此時(shí)正向無(wú)信號(hào)誉简，⑦為反向移動(dòng)的20倍頻信號(hào)碉就。辨向后，信號(hào)⑥描融、⑦經(jīng)光電隔離進(jìn)入四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74LS193中進(jìn)行計(jì)數(shù)铝噩，再經(jīng)鎖存器鎖存后送入單片機(jī)。設(shè)刀具的最大行程為2000mm窿克，為了滿足1μm的計(jì)數(shù)精度骏庸，需將6片計(jì)數(shù)器芯片串聯(lián)使用，采用4049非門(mén)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)年叮。  

　　采用四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)具被，電機(jī)的4個(gè)線圈用符號(hào)Q0、Q1只损、Q2一姿、Q3表示。8098單片機(jī)具有優(yōu)異的控制性能跃惫，它的高速輸出單元HSO可產(chǎn)生0～1和1～0的高速跳變(2μs)叮叹，用HSO.0、HSO.1溺联、HSO.2和HSO.3引腳分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的Qi(i=0,1,2,3)線圈济问。通過(guò)設(shè)置HSO命令表和時(shí)間表，使HSO.i口上1和0的分布時(shí)序產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)4個(gè)線圈通斷電的適當(dāng)時(shí)序捻境，從而產(chǎn)生精確的轉(zhuǎn)動(dòng)步距吝殖，電機(jī)轉(zhuǎn)速(即步距時(shí)間)由時(shí)間表中的時(shí)間字確定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源為效率很高的恒流斬波式電源炸鹅。  

　　8098單片機(jī)與IBM-PC微機(jī)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)通信帚颤。8098單片機(jī)的P2.0和P2.1管腳具有雙重功能伟杂，在控制寄存器作用下，可作為T(mén)XD和RXD饮噪。PC機(jī)上所帶RS-232C接口采用EIA電平邏輯名挪，而8098串口其輸入輸出均為T(mén)TL電平，所以兩機(jī)通信時(shí)必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換藏络。采用TSC232集成芯片糜透，該芯片僅用+5V電壓供電撤宽，其內(nèi)部有兩組電壓轉(zhuǎn)換電路臭杰，即+5V到+10V轉(zhuǎn)換和+10V到-10V轉(zhuǎn)換，很適合EIA電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換谚中，且外圍電路簡(jiǎn)單渴杆，工作電流僅5mA。  

　　2智能光柵測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要有初始化程序宪塔、故障診斷程序磁奖、采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序某筐、模糊控制程序比搭、步進(jìn)電機(jī)控制程序、串行通信程序等南誊。  

　　在初始化程序中對(duì)計(jì)數(shù)器清零身诺，并對(duì)CPU及CPU內(nèi)部各寄存器進(jìn)行設(shè)定，使系統(tǒng)處于預(yù)定的工作狀態(tài)抄囚。故障診斷程序采用開(kāi)機(jī)自檢方式對(duì)系統(tǒng)的軟件霉赡、硬件進(jìn)行檢測(cè)，若有故障就給出報(bào)警并顯示故障位置幔托。數(shù)據(jù)處理程序包括數(shù)制轉(zhuǎn)換穴亏、尺寸單位切換、數(shù)值代數(shù)運(yùn)算细周、函數(shù)運(yùn)算毯创、定點(diǎn)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。  

　　模糊控制器具有對(duì)過(guò)程參數(shù)改變不敏感谒酌、對(duì)過(guò)程模型要求不精確苫七、響應(yīng)速度快、超調(diào)小等優(yōu)點(diǎn)祸芙，且簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)停唐，在很多情況下比傳統(tǒng)控制更為有效。筆者采用雙輸入钱锉、單輸出模糊控制器對(duì)機(jī)床進(jìn)行定位控制时憾。選定合適的控制規(guī)則渊喘，離線求出模糊控制表，將其存入程序存儲(chǔ)器中鸽拱。系統(tǒng)工作時(shí)拨才，通過(guò)采樣程序?qū)崟r(shí)讀取來(lái)自計(jì)數(shù)器的位移信號(hào)，這個(gè)位移值與主機(jī)設(shè)定值之差為誤差谓苟，計(jì)算出誤差變化率官脓，經(jīng)量化后查表確定控制率，即確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向涝焙。步進(jìn)電機(jī)控制程序由環(huán)行分配程序和速度控制程序組成卑笨，其控制目的是①可以四相八拍方式運(yùn)行；②速度可調(diào)仑撞；③方向可變赤兴；④按預(yù)置要求完成行走步數(shù)。  

　　設(shè)步進(jìn)電機(jī)按四相八拍運(yùn)行時(shí)通電順序如下：正轉(zhuǎn)Q0-Q0Q1-Q1-Q1Q2-Q2-Q2Q3-Q3-Q3Q0隧哮；反轉(zhuǎn)Q0-Q0Q3-Q3-Q3Q2-Q2-Q2Q1-Q1-Q1Q0桶良。以此可設(shè)置HSO命令表，命令字節(jié)依次放入存儲(chǔ)單元沮翔，同時(shí)將命令字節(jié)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元地址作為電機(jī)通電狀態(tài)序號(hào)存入寄存器REG1陨帆，電機(jī)進(jìn)給方向符號(hào)存入寄存器REG2，“0”為正轉(zhuǎn)采蚀，“1”為反轉(zhuǎn)疲牵。分析機(jī)床加工對(duì)速度的各種要求設(shè)置HSO時(shí)間表，時(shí)間字放入存儲(chǔ)單元搏存。程序運(yùn)行時(shí)测扼，根據(jù)當(dāng)前控制率對(duì)REG2重新賦值，并以定時(shí)器T1為基準(zhǔn)時(shí)間把合適的時(shí)間字裝入HSOTIME以設(shè)定以后的步距時(shí)間啡产。從REG1中查到當(dāng)前序號(hào)纲秫，再由REG2中的值決定進(jìn)給方向：正轉(zhuǎn)時(shí)序號(hào)加1，反轉(zhuǎn)時(shí)序號(hào)減1肢有，若加1或減1超出命令字節(jié)存儲(chǔ)單元地址范圍单步，則使HSO部件產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)子程序再次取命令表裝入CAM并重置REG1涣恤，使電機(jī)能不斷運(yùn)行且奔。根據(jù)加1或減1得到的新地址查命令表取得新的通電狀態(tài)(命令字節(jié))，把新的通電狀態(tài)裝入HSOCOM络骤，HSO.i何時(shí)置0或1由步距時(shí)間定此腊，如此完成走一步的任務(wù)。  

　　主從機(jī)通過(guò)串行通信程序進(jìn)行信息交換朵令，為此兩者必須預(yù)先制定通信約定：數(shù)據(jù)傳輸格式羊捧、傳輸速率以及各自的工作方式众巷。對(duì)于8098單片機(jī)，首先將IOC1.5和REN置1炊豪，以確定TXD和RXD端凌箕；再送命令字節(jié)至SP-CON寄存器確定串行口工作方式，并將波特率常數(shù)裝入BAUD-RATE寄存器設(shè)置波特率词渤；最后設(shè)置中斷服務(wù)程序入口地址和中斷屏蔽寄存器等牵舱，以中斷方式對(duì)SBUF[RX]/SBUF[TX]進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。對(duì)于IBM-PC機(jī)缺虐，可調(diào)用BIOS中INT14H的00H功能對(duì)串行口進(jìn)行初始化芜壁，調(diào)用03H功能獲取串行口狀態(tài)；然后直接讀取BIOS數(shù)據(jù)區(qū)獲得串行口的地址情況志笼，對(duì)串行口進(jìn)行操作沿盅。為了保證主從機(jī)通信的正確性，使兩者能可靠地實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)纫溃，還設(shè)計(jì)了軟件握手程序。  

　　3試驗(yàn)韧掩、結(jié)果與分析  

　　智能光柵測(cè)控系統(tǒng)的軟件紊浩、硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試后，筆者以SEME-400/400型通用機(jī)械滑臺(tái)為被控對(duì)象柒汉，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“數(shù)字控制機(jī)床位置精度的評(píng)定方法”進(jìn)行了系統(tǒng)軸向定位精度試驗(yàn)绒催。  

　　3.1試驗(yàn)方法  

　　(1)試驗(yàn)條件：滑臺(tái)快進(jìn)速度為50r/min，工件進(jìn)給速度為15r/min监昏，工件進(jìn)給行程為35mm斜州，零件加工尺寸為10mm。  

　　(2)根據(jù)機(jī)械滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)特性和工藝特性承副，位置檢測(cè)按單方向進(jìn)行并采用階梯循環(huán)檢測(cè)方式愁逝。  

　　(3)將測(cè)量工具安裝在工作位置上，沿坐標(biāo)全程檢測(cè)滑臺(tái)的位置數(shù)據(jù)冻菌。為了使周期誤差得到充分反映敷忠，每個(gè)目標(biāo)位置Pj應(yīng)按下式選取：  

　　Pj=j.t+r+L  

　　式中荚砍，j為目標(biāo)位置序號(hào)崎北；t為目標(biāo)位置間距，應(yīng)取整數(shù)四洗；r為任意十進(jìn)制小數(shù)松招，位數(shù)與最小設(shè)定單位(μm)相當(dāng)，每個(gè)目標(biāo)位置取不同值每庆；L為零件的加工尺寸筐带。  

　　(4)采用各定位點(diǎn)取平均方差的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理择份。  

　　3.2試驗(yàn)結(jié)果  

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB10931—89)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)位置精度檢測(cè)時(shí)，如果行程≤1000mm烫堤，定位點(diǎn)數(shù)及定位點(diǎn)測(cè)量次數(shù)均應(yīng)≥5荣赶。所用滑臺(tái)行程為400mm，故軸向取6個(gè)定位點(diǎn)鸽斟，每個(gè)定位點(diǎn)重復(fù)測(cè)量5次拔创，求出各點(diǎn)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。中間的實(shí)線為平均偏差線富蓄，上面的虛線為平均偏差加3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差線剩燥，下面的虛線為平均偏差減3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差線。由此可得：?jiǎn)蜗蚨ㄎ痪華u為12.56μm立倍，重復(fù)定位精度R為9.099μm灭红。  

　　3.3結(jié)果分析與結(jié)論  

　　系統(tǒng)的定位誤差是由多方面因素造成的。首先口注，在步進(jìn)電機(jī)與滑臺(tái)之間有傳動(dòng)軸变擒、鍵、軸承逐嗅、支承導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)部件蹂甥，有滾珠絲杠和螺母等傳動(dòng)部件。結(jié)構(gòu)部件的位置和尺寸誤差及傳動(dòng)部件的間隙和變形是造成定位誤差的主要原因菊车；其次虚缘，滑臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)誤差會(huì)導(dǎo)致一定的定位誤差；另外您奶，光柵尺安裝不當(dāng)辐轧、自重變形及控制系統(tǒng)的誤差也會(huì)產(chǎn)生影響。  

　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較晋鼓，在相同情況下鬼涂，原系統(tǒng)定位精度為25.54μm，加上智能光柵測(cè)控系統(tǒng)后精度提高了1倍辞皇，而成本只增加了2000元左右切果。這說(shuō)明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理符焊，其軟件淘太、硬件的開(kāi)發(fā)是成功的。   

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