浅析闭环中走丝线切割床理念

日前在电火花线切割机/中走丝线切割机床中采用光栅尺闭环一直是一个系统设计者想做的事情，但是闭环在数控系统设计中还有很多需要解决的技术问题，本文供大家参考。
目前在电火花线切割机/中走丝线切割机床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。接口模块原理图见设备出厂说明书原理图。
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。
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。