現(xiàn)代化工業(yè)在機(jī)床設(shè)備的精度、效率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面，提出了越來越高的要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備數(shù)控化、自動化是必然的發(fā)展方向。定位精度是機(jī)床精度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它綜合反映了機(jī)床構(gòu)件和進(jìn)給系統(tǒng)的精度及動態(tài)特性，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，以光柵尺為檢測元件，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動部件，由控制軟件作支持的智能光柵測控系統(tǒng)，對機(jī)床運(yùn)動部件進(jìn)行定位控制。該系統(tǒng)性能可靠，操作方便，通用性強(qiáng)，具有一定的工程實(shí)用價值。 

    1智能光柵測控系統(tǒng)硬件配置 

    筆者采用主從機(jī)控制方式進(jìn)行機(jī)床定位控制。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)場檢測和控制，體積小、設(shè)計(jì)方便、運(yùn)行可靠、具有較強(qiáng)的抗干擾能力；IBM-PC微機(jī)通過友好的用戶界面顯示和處理數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)，十分方便。這樣不僅簡化了單片機(jī)的軟件及硬件設(shè)計(jì)，而且為系統(tǒng)向遙控、多微機(jī)系統(tǒng)及“個人儀器(個人計(jì)算機(jī)和儀器結(jié)合)”[1]發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 

    從線位移光柵尺獲取的信號是幅值為3～5V、分辨率為20μm，相位角差為90°的兩路正弦信號。為了滿足控制精度要求，得到分辨率更高的位移信號，須將光柵尺輸出信號進(jìn)行細(xì)分。考慮到細(xì)分速度及實(shí)際測量過程中電源波動、光強(qiáng)、溫度等因素對光柵尺輸出信號的影響，采用硬件細(xì)分[2]。 

    光柵信號采集處理原理見圖2。將光柵尺輸出的兩路正弦信號進(jìn)行放大整形，然后經(jīng)過穩(wěn)壓移相電路輸出相位差依次為18°的十路正弦信號，輸入后面五倍頻電路，得到分辨率為4μm，相位角差為90°的兩路方波信號，即圖2中的①、②。再經(jīng)四倍頻電路輸出分辨率為1μm的一路方波信號，即圖2中的④。由兩片CD4081與門芯片構(gòu)成辨向電路，辨向方法如下：設(shè)光柵尺正向移動時①超前②，此時信號③為高電平，信號⑤為低電平。④和③相與得到正向移動的20倍頻信號⑥，④和⑤相與得到反向移動信號⑦，此時反向無信號；光柵尺反向移動時②超前①，③為低電平，⑤為高電平，則⑥為低電平，此時正向無信號，⑦為反向移動的20倍頻信號。辨向后，信號⑥、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)，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，為了滿足1μm的計(jì)數(shù)精度，需將6片計(jì)數(shù)器芯片串聯(lián)使用，采用4049非門對其進(jìn)行驅(qū)動。 

    筆者采用四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的4個線圈用符號Q0、Q1、Q2、Q3表示。8098單片機(jī)具有優(yōu)異的控制性能，它的高速輸出單元HSO可產(chǎn)生0～1和1～0的高速跳變(2μs)，用HSO.0、HSO.1、HSO.2和HSO.3引腳分別驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的Qi(i=0,1,2,3)線圈，見圖3。通過設(shè)置HSO命令表和時間表，使HSO.i口上1和0的分布時序產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)4個線圈通斷電的適當(dāng)時序，從而產(chǎn)生精確的轉(zhuǎn)動步距，電機(jī)轉(zhuǎn)速(即步距時間)由時間表中的時間字確定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源為效率很高的恒流斬波式電源。 

    8098單片機(jī)與IBM-PC微機(jī)通過串口實(shí)現(xiàn)通信。8098單片機(jī)的P2.0和P2.1管腳具有雙重功能，在控制寄存器作用下，可作為TXD和RXD。PC機(jī)上所帶RS-232C接口采用EIA電平邏輯，而8098串口其輸入輸出均為TTL電平，所以兩機(jī)通信時必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。采用TSC232集成芯片，該芯片僅用+5V電壓供電，其內(nèi)部有兩組電壓轉(zhuǎn)換電路，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，且外圍電路簡單，工作電流僅5mA。 

    2智能光柵測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[3，4] 

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

    在初始化程序中對計(jì)數(shù)器清零，并對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)。故障診斷程序采用開機(jī)自檢方式對系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行檢測，若有故障就給出報(bào)警并顯示故障位置。數(shù)據(jù)處理程序包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、尺寸單位切換、數(shù)值代數(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、定點(diǎn)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。 

    模糊控制器具有對過程參數(shù)改變不敏感、對過程模型要求不精確、響應(yīng)速度快、超調(diào)小等優(yōu)點(diǎn)，且簡單易于實(shí)現(xiàn)，在很多情況下比傳統(tǒng)控制更為有效。筆者采用雙輸入、單輸出模糊控制器對機(jī)床進(jìn)行定位控制。選定合適的控制規(guī)則，離線求出模糊控制表，將其存入程序存儲器中。系統(tǒng)工作時，通過采樣程序?qū)崟r讀取來自計(jì)數(shù)器的位移信號，這個位移值與主機(jī)設(shè)定值之差為誤差，計(jì)算出誤差變化率，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。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，其控制目的是①可以四相八拍方式運(yùn)行；②速度可調(diào)；③方向可變；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)行時通電順序如下：正轉(zhuǎn)Q0-Q0Q1-Q1-Q1Q2-Q2-Q2Q3-Q3-Q3Q0；反轉(zhuǎn)Q0-Q0Q3-Q3-Q3Q2-Q2-Q2Q1-Q1-Q1Q0。以此可設(shè)置HSO命令表，命令字節(jié)依次放入存儲單元，同時將命令字節(jié)對應(yīng)的存儲單元地址作為電機(jī)通電狀態(tài)序號存入寄存器REG1，電機(jī)進(jìn)給方向符號存入寄存器REG2，“0”為正轉(zhuǎn)，“1”為反轉(zhuǎn)。分析機(jī)床加工對速度的各種要求設(shè)置HSO時間表，時間字放入存儲單元。程序運(yùn)行時，根據(jù)當(dāng)前控制率對REG2重新賦值，并以定時器T1為基準(zhǔn)時間把合適的時間字裝入HSOTIME以設(shè)定以后的步距時間。從REG1中查到當(dāng)前序號，再由REG2中的值決定進(jìn)給方向：正轉(zhuǎn)時序號加1，反轉(zhuǎn)時序號減1，若加1或減1超出命令字節(jié)存儲單元地址范圍，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，使電機(jī)能不斷運(yùn)行。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，HSO.i何時置0或1由步距時間定，如此完成走一步的任務(wù)。 

    主從機(jī)通過串行通信程序進(jìn)行信息交換，為此兩者必須預(yù)先制定通信約定：數(shù)據(jù)傳輸格式、傳輸速率以及各自的工作方式。對于8098單片機(jī)，首先將IOC1.5和REN置1，以確定TXD和RXD端；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；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，以中斷方式對SBUF[RX]/SBUF[TX]進(jìn)行讀/寫操作。對于IBM-PC機(jī)，可調(diào)用BIOS中INT14H的00H功能對串行口進(jìn)行初始化，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，對串行口進(jìn)行操作。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)，還設(shè)計(jì)了軟件握手程序。 

    3試驗(yàn)、結(jié)果與分析 

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

    3.1試驗(yàn)方法 

    (1)試驗(yàn)條件[5]：滑臺快進(jìn)速度為50r/min，工件進(jìn)給速度為15r/min，工件進(jìn)給行程為35mm，零件加工尺寸為10mm。 

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

    (3)將測量工具安裝在工作位置上，沿坐標(biāo)全程檢測滑臺的位置數(shù)據(jù)。為了使周期誤差得到充分反映，每個目標(biāo)位置Pj應(yīng)按下式選?。?nbsp;

    Pj=j.t+r+L 

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

    (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。 

    3.2試驗(yàn)結(jié)果 

    根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB10931—89)進(jìn)行直線運(yùn)動位置精度檢測時，如果行程≤1000mm，定位點(diǎn)數(shù)及定位點(diǎn)測量次數(shù)均應(yīng)≥5。所用滑臺行程為400mm，故軸向取6個定位點(diǎn)，每個定位點(diǎn)重復(fù)測量5次，求出各點(diǎn)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。系統(tǒng)單方向直線運(yùn)動位置精度檢測結(jié)果見圖5。圖5中，中間的實(shí)線為平均偏差線，上面的虛線為平均偏差加3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差線，下面的虛線為平均偏差減3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差線。由此可得：單向定位精度Au為12.56μm，重復(fù)定位精度R為9.099μm。 

    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，在步進(jìn)電機(jī)與滑臺之間有傳動軸、鍵、軸承、支承導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)部件，有滾珠絲杠和螺母等傳動部件。結(jié)構(gòu)部件的位置和尺寸誤差及傳動部件的間隙和變形是造成定位誤差的主要原因；其次，滑臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)誤差會導(dǎo)致一定的定位誤差；另外，光柵尺安裝不當(dāng)、自重變形及控制系統(tǒng)的誤差也會產(chǎn)生影響。 

    經(jīng)過試驗(yàn)比較，在相同情況下，原系統(tǒng)定位精度為25.54μm，加上智能光柵測控系統(tǒng)后精度提高了1倍，而成本只增加了2000元左右。這說明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，其軟件、硬件的開發(fā)是成功的。