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入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。为了提高机床的精度，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。电机能否精确定位，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，提高了系统的反应速度。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测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，就可判断出运动方向。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

光栅尺输出信号的测量和处理需经过：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提高光栅尺测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，这样实现的测量误差仍是光栅尺的栅距。在考虑辨向功能时，应对细分后的信号进行辨向设计，否则不能提高测量精度。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，消除输入信号中尖脉冲带来的影响，提高系统的抗干扰性能。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，它们地址译码中加入AEN信号，避免DMA操作不会选通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，才允许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。

2．4 基于ISA总线的接口电路设计

（1）缓冲器有保护功能设计

用八同相双向三志缓冲器/驱动器芯片SN74HC245缓冲ISA总线扩展槽与各器件间的8位数据信号。SN74HC245不但起缓冲、隔离作用，还有一定的保护和控制作用。工控机读控制信号（低电平有效）边接到SN74HC245的DIR（方向控制端），而门控信号接信号CS245。CS245W信号是I/O端口读写信号和接口地址译码信号产生的信号。当读有效为低电平时，8254的数据可通过SN74HC245输入到计算机；读有效为高电平时，计算机的数据输出。CS245实现只有计算机与8254交换数据时，选通SN74HC245的门控信号G，使之三态门打开。

（2）端口地址译码电路

采用GAL22V10芯片实现接口地址译码，为细分辨向电路提供时钟CLK信号；为8254的片选线一起确定8254的地址。接口电源理图见图2。

GAL器件是一种高性能的理想PLD产品。GAL器件采用E2CMOS工艺，可进行反复的编程和擦除，且具用低功耗、高速的特点。常用GAL器件有GAL16V8、GAL20V8、GAL22V10等。

GAL16V8、GAL20V8的使用方泛。但对于某些应用场合，这两种GAL芯片往往不能满足需要，其主要不足之处：乘积项不能超过8个； 能配置的输出引脚最多只有8个；不能对寄存器进行复位或置位操作；对反馈结构的限制较多，有些引脚不能反馈等。

GAL22V10是一种通用型GAL器件，它可以从某种程度上解决以上提到的GAL16V8和GAL20V8不足之处。GAL22V10内部共有132个与门，且输出管脚上的与门不是平均分配；逻辑设计表达式中“与”项最多为22个变量的逻辑乘；GAL22V10的输出宏单元较简洁、灵活，容易使用，不像GAL20V8在不同输出模式下输出反馈的种种限制。GAL22V10的输出宠单元（OLMC）每个输出宠单元由各自的SO和SI控制，可有4种不同的输出工作模式。可编程的位置和复位可由二个与门进行统一的置位控制。

GAL22V10的逻辑设计软件可用ABEL（3。0版以上）或其他高级逻辑设计语言。如PROTEL公司的Protel 98/99都集成了一个CUPL逻辑设计语言。CUPL语言也是一种编译型硬件描述语言。VHDL支持所有的PLD器件。Protel 199的PLD设计工具支持实时检测，并给出错误提示。通过其中的PLD-CUPL Wizard可很快捷地建立基于原理图或文本方式的PLD设计文件，对这个文件进行编译，就可得到符合工业标准的JEDEC文件（*。JED）。

ABEL语言是美国DATA I/O公司的一种高级编译型逻辑设计语言，它以其方便、灵活、易于掌握的特点，深受硬件逻辑设计者的喜爱。利用它高度结构化的语言、灵活多样的逻辑描述形式可很容易地编写出Abel原文件，编译过程对用户的逻辑设计进行语法检查、逻辑化简、自动成符合JEDEC标准的JED文件中的错误，或发现可能产生帮障的隐患，以提高设计的可靠性。ABEL软件是通用的PLD器件设计软件，高版本的ABEL几乎可支持任何一种PLD器件。

不论选用那一种设计语言，最后都要生成JEDEC格式文件，才能能过编程器烧入PLE器件。

3 结速语

针对精密度数控机床伺服系统对位置反馈要求精度高、实时性好的特点，设计智能接口模块来处理光栅尺信号，然后将其输入工控机。在接口电路中利用GAL22V10芯片，可实现I/O端口控制和地址译码。GAL器件的使用，实现了用一片芯片代替几个芯片，不仅减小了接口电路的体积，简化了电路的设计，且减少了级延迟，提高了系统处理速度。