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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jià)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(gè)人儀器(個(gè)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(dòng)、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(dòng)時(shí)①超前②，此時(shí)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(dòng)的20倍頻信號⑥，④和⑤相與得到反向移動(dòng)信號⑦，此時(shí)反向無信號；光柵尺反向移動(dòng)時(shí)②超前①，③為低電平，⑤為高電平，則⑥為低電平，此時(shí)正向無信號，⑦為反向移動(dòng)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(dòng)。 

    筆者采用四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的4個(gè)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(dòng)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(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，從而產(chǎn)生精確的轉(zhuǎn)動(dòng)步距，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。 

    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(shí)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(shí)，通過采樣程序?qū)崟r(shí)讀取來自計(jì)數(shù)器的位移信號，這個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間表，時(shí)間字放入存儲單元。程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)當(dāng)前控制率對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。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(shí)序號加1，反轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)置0或1由步距時(shí)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(gè)目標(biāo)位置Pj應(yīng)按下式選取： 

    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(gè)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(dòng)位置精度檢測時(shí)，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(gè)定位點(diǎn)，每個(gè)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(dòng)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(dòng)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(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；其次，滑臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)誤差會(huì)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(huì)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。