閉環(huán)伺服線切割機

閉環(huán)伺服線切割與普通中走絲去區(qū)別

目前在線切割機中當系統(tǒng)發(fā)出一個進給指令,經(jīng)驅(qū)動電路功率放大,驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)一個角度,再經(jīng)齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉(zhuǎn),通過絲杠螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)換為機床的直線位移。機床各個軸的移動速度與位移量由輸入脈沖的頻率與脈沖數(shù)所決定。此時機床的信息流是單向的,即進給脈沖發(fā)出后,實際移動值不再反饋回來。系統(tǒng)對機床的實際位移量不進行監(jiān)測，也不能進行誤差校正。因此步進電動機的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。為了提高機床的精度，采用直線電機和位置檢測元件組成閉環(huán)系統(tǒng)。它消除了旋轉(zhuǎn)電機齒輪間隙帶來的誤差，減小了系統(tǒng)的慣性，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。電機能否精確定位，取決于位置反饋是否精確，光柵尺精度高、價位低、性能優(yōu)良、故其成為首選傳感器，以實現(xiàn)位置信號的反饋。

光柵尺信號輸出頻率很高，如直接給工控機讀取，實時性難以保證，采用高性能工控機雖能實現(xiàn)，但需編制大量程序。設(shè)計光柵尺接口模塊，能實現(xiàn)信號的細分、辯向、位置的計算與顯示。模塊是獨立工作的，上位機何時需要數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)總線直接讀取即可。既保證控制系統(tǒng)的實時性，提高了系統(tǒng)的反應速度。采用的光柵尺分辨率為1μm。

1．光柵尺信號

光柵尺輸出信號是電信號，動尺移動一個柵距，輸出電信號便變化一個周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出移動的相對位移。計數(shù)器所計數(shù)乘以光柵距即為直線電機所走的位移。

輸出信號是相位角相差90o時，方向為正，反之為負。Z信號作為校準信號以消除累積誤差。

在A信號怕下降沿采集B信號，就可判斷出運動方向。當A信號的上升沿及下降沿均比B信號超前1/4W，在A信號下降沿采集的B信號為“1”，此時為正向運動；A信號的上升沿及下降沿均比B信號滯后1/4W，在A信號下降沿采集到的B信號為“0”，此時為反向運動。根據(jù)采集到的運動信號方向和A信號變化的周期數(shù)用計數(shù)器進行計數(shù)（正向計數(shù)或逆向計數(shù)），就可測算出總位移。

2接口模塊整體結(jié)構(gòu)

光柵尺輸出信號的測量和處理需經(jīng)過：濾波、整流，細分辨向電路，計數(shù)電路，接口電路，實現(xiàn)與系統(tǒng)總線的交換。接口模塊原理圖見圖1。

2．1細分辨向電路

光柵尺信號的細分與辨向是提高光柵尺測量精度的關(guān)鍵性一步。光柵辨向和細分電路的設(shè)計中，有的設(shè)計把辨向和細分電路分開，辨向電路只對光柵尺的輸出信號進行辨向，而不對細分后的脈沖信號進行辨向，這樣實現(xiàn)的測量誤差仍是光柵尺的柵距。在考慮辨向功能時，應對細分后的信號進行辨向設(shè)計，否則不能提高測量精度。此處為細分辨向電路設(shè)計的重點。

以X軸輸出信號為例。光柵尺輸出的相差為90o的方波信號XA和XB，經(jīng)RC濾波和6N137快速光耦，消除輸入信號中尖脈沖帶來的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。通過4倍頻電路實現(xiàn)精度的擔高，原來光柵尺的分辨率為5μm，倍頻后分辨率變?yōu)?.25μm。譯碼電路為(GAL1.22V10提供時鐘CLK。電機的運動方向由辨向電路來實現(xiàn)。當光柵尺正向運動時，從I/O端口輸出脈沖序列PX；當光柵尺反向運動時，從I/O端口輸出脈沖序列NX。

2．2計數(shù)電路

本系統(tǒng)中采用8254實現(xiàn)計數(shù)功能。正反向脈沖PX，NX分別作為計數(shù)器8254的時鐘CLK，輸出信號即為位移的脈沖數(shù)。地址線A0、A1與8254的片選取線一起確定8254的地址。

2．3接口電路

設(shè)計接口電路時，主要考慮3方面因素；

（1）總線負載。當CPU讀插件板上的內(nèi)存或接口時，內(nèi)存芯片式接口芯片將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)總線上，此時數(shù)據(jù)總線上的所有負載都將成為內(nèi)存芯片式接口芯片的負載。為了保證總線的正常工作，在接口電路中要增加雙向數(shù)據(jù)驅(qū)動。

（2）總線的競爭。PC機屬于獨立式I/O接口尋址方式，對一個地址，計算機可有I/O讀寫、DMA讀寫和存儲器讀寫，它們地址譯碼中加入AEN信號，避免DMA操作不會選通I/O地址。存儲器I/O接口地址易產(chǎn)生混淆，利用硬件電路進行存取，避免了總線競爭。只當CPU讀接口卡時，才允許通向系統(tǒng)數(shù)據(jù)線的三態(tài)門導通，其他任何時刻這些三態(tài)門必須呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。

（3）接口保護。接口電路還應考慮由于接口電路出現(xiàn)故障或工作時的誤動作對計算機造成的損壞。

2．4基于ISA總線的接口電路設(shè)計

（1）緩沖器有保護功能設(shè)計

用八同相雙向三志緩沖器/驅(qū)動器芯片SN74HC245緩沖ISA總線擴展槽與各器件間的8位數(shù)據(jù)信號。SN74HC245不但起緩沖、隔離作用，還有一定的保護和控制作用。工控機讀控制信號（低電平有效）邊接到SN74HC245的DIR（方向控制端），而門控信號接信號CS245。CS245W信號是I/O端口讀寫信號和接口地址譯碼信號產(chǎn)生的信號。當讀有效為低電平時，8254的數(shù)據(jù)可通過SN74HC245輸入到計算機；讀有效為高電平時，計算機的數(shù)據(jù)輸出。CS245實現(xiàn)只有計算機與8254交換數(shù)據(jù)時，選通SN74HC245的門控信號G，使之三態(tài)門打開。

（2）端口地址譯碼電路

采用GAL22V10芯片實現(xiàn)接口地址譯碼，為細分辨向電路提供時鐘CLK信號；為8254的片選線一起確定8254的地址。接口電源理圖見圖2。

GAL器件是一種高性能的理想PLD產(chǎn)品。GAL器件采用E2CMOS工藝，可進行反復的編程和擦除，且具用低功耗、高速的特點。常用GAL器件有GAL16V8、GAL20V8、GAL22V10等。

GAL16V8、GAL20V8的使用方泛。但對于某些應用場合，這兩種GAL芯片往往不能滿足需要，其主要不足之處：乘積項不能超過8個；能配置的輸出引腳最多只有8個；不能對寄存器進行復位或置位操作；對反饋結(jié)構(gòu)的限制較多，有些引腳不能反饋等。

GAL22V10是一種通用型GAL器件，它可以從某種程度上解決以上提到的GAL16V8和GAL20V8不足之處。GAL22V10內(nèi)部共有132個與門，且輸出管腳上的與門不是平均分配；邏輯設(shè)計表達式中“與”項最多為22個變量的邏輯乘；GAL22V10的輸出宏單元較簡潔、靈活，容易使用，不像GAL20V8在不同輸出模式下輸出反饋的種種限制。GAL22V10的輸出寵單元（OLMC）每個輸出寵單元由各自的SO和SI控制，可有4種不同的輸出工作模式。可編程的位置和復位可由二個與門進行統(tǒng)一的置位控制。

GAL22V10的邏輯設(shè)計軟件可用ABEL（3。0版以上）或其他高級邏輯設(shè)計語言。如PROTEL公司的Protel98/99都集成了一個CUPL邏輯設(shè)計語言。CUPL語言也是一種編譯型硬件描述語言。VHDL支持所有的PLD器件。Protel199的PLD設(shè)計工具支持實時檢測，并給出錯誤提示。通過其中的PLD-CUPLWizard可很快捷地建立基于原理圖或文本方式的PLD設(shè)計文件，對這個文件進行編譯，就可得到符合工業(yè)標準的JEDEC文件（*。JED）。

ABEL語言是美國DATAI/O公司的一種高級編譯型邏輯設(shè)計語言，它以其方便、靈活、易于掌握的特點，深受硬件邏輯設(shè)計者的喜愛。利用它高度結(jié)構(gòu)化的語言、靈活多樣的邏輯描述形式可很容易地編寫出Abel原文件，編譯過程對用戶的邏輯設(shè)計進行語法檢查、邏輯化簡、自動成符合JEDEC標準的JED文件中的錯誤，或發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生幫障的隱患，以提高設(shè)計的可靠性。ABEL軟件是通用的PLD器件設(shè)計軟件，高版本的ABEL幾乎可支持任何一種PLD器件。

不論選用那一種設(shè)計語言，最后都要生成JEDEC格式文件，才能能過編程器燒入PLE器件。

3結(jié)束語

針對精密度數(shù)控機床伺服系統(tǒng)對位置反饋要求精度高、實時性好的特點，設(shè)計智能接口模塊來處理光柵尺信號，然后將其輸入工控機。在接口電路中利用GAL22V10芯片，可實現(xiàn)I/O端口控制和地址譯碼。GAL器件的使用，實現(xiàn)了用一片芯片代替幾個芯片，不僅減小了接口電路的體積，簡化了電路的設(shè)計，且減少了級延遲，提高了系統(tǒng)處理速度。