目前在數(shù)控線切割機(jī)床中采用光柵尺閉環(huán)一直是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者想做的事情，但是閉環(huán)在數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還有很多需要解決的技術(shù)問題，在網(wǎng)上看到一篇關(guān)于光柵尺介入的文章，轉(zhuǎn)過來供大家參考。
目前在數(shù)控線切割機(jī)床中當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大,驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,再經(jīng)齒輪減速裝置帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn),通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為機(jī)床的直線位移。機(jī)床各個(gè)軸的移動(dòng)速度與位移量由輸入脈沖的頻率與脈沖數(shù)所決定。此時(shí)機(jī)床的信息流是單向的,即進(jìn)給脈沖發(fā)出后,實(shí)際移動(dòng)值不再反饋回來。系統(tǒng)對機(jī)床的實(shí)際位移量不進(jìn)行監(jiān)測，也不能進(jìn)行誤差校正。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動(dòng)誤差都將影響被加工零件的精度。為了提高機(jī)床的精度，采用直線電機(jī)和位置檢測元件組成閉環(huán)系統(tǒng)。它消除了旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(dòng)態(tài)性能。電機(jī)能否精確定位，取決于位置反饋是否精確，光柵尺精度高、價(jià)位低、性能優(yōu)良、故其成為首選傳感器，以實(shí)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(jī)讀取，實(shí)時(shí)性難以保證，采用高性能工控機(jī)雖能實(shí)現(xiàn)，但需編制大量程序。設(shè)計(jì)光柵尺接口模塊，能實(shí)現(xiàn)信號的細(xì)分、辯向、位置的計(jì)算與顯示。模塊是獨(dú)立工作的，上位機(jī)何時(shí)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(shí)時(shí)性，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)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(dòng)尺移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出電信號便變化一個(gè)周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出移動(dòng)的相對位移。計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)乘以光柵距即為直線電機(jī)所走的位移。
輸出信號是相位角相差90º時(shí)，方向?yàn)檎粗疄樨?fù)。Z信號作為校準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)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(shí)為正向運(yùn)動(dòng)；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(shí)為反向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)采集到的運(yùn)動(dòng)信號方向和A信號變化的周期數(shù)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)（正向計(jì)數(shù)或逆向計(jì)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(xì)分辨向電路，計(jì)數(shù)電路，接口電路，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)總線的交換。接口模塊原理圖見圖1。
2．1 細(xì)分辨向電路
光柵尺信號的細(xì)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(xì)分電路的設(shè)計(jì)中，有的設(shè)計(jì)把辨向和細(xì)分電路分開，辨向電路只對光柵尺的輸出信號進(jìn)行辨向，而不對細(xì)分后的脈沖信號進(jìn)行辨向，這樣實(shí)現(xiàn)的測量誤差仍是光柵尺的柵距。在考慮辨向功能時(shí)，應(yīng)對細(xì)分后的信號進(jìn)行辨向設(shè)計(jì)，否則不能提高測量精度。此處為細(xì)分辨向電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
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(shí)現(xiàn)精度的擔(dān)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(shí)鐘CLK。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向由辨向電路來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)光柵尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，從I/O端口輸出脈沖序列PX；當(dāng)光柵尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，從I/O端口輸出脈沖序列NX。
2．2 計(jì)數(shù)電路
本系統(tǒng)中采用8254實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。正反向脈沖PX，NX分別作為計(jì)數(shù)器8254的時(shí)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(jì)接口電路時(shí)，主要考慮3方面因素；
（1）總線負(fù)載。當(dāng)CPU讀插件板上的內(nèi)存或接口時(shí)，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(shí)數(shù)據(jù)總線上的所有負(fù)載都將成為內(nèi)存芯片式接口芯片的負(fù)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(dòng)。
（2）總線的競爭。PC機(jī)屬于獨(dú)立式I/O接口尋址方式，對一個(gè)地址，計(jì)算機(jī)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(jìn)行存取，避免了總線競爭。只當(dāng)CPU讀接口卡時(shí)，才允許通向系統(tǒng)數(shù)據(jù)線的三態(tài)門導(dǎo)通，其他任何時(shí)刻這些三態(tài)門必須呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。
（3）接口保護(hù)。接口電路還應(yīng)考慮由于接口電路出現(xiàn)故障或工作時(shí)的誤動(dòng)作對計(jì)算機(jī)造成的損壞。
2．4 基于ISA總線的接口電路設(shè)計(jì)
（1）緩沖器有保護(hù)功能設(shè)計(jì)
用八同相雙向三志緩沖器/驅(qū)動(dòng)器芯片SN74HC245緩沖ISA總線擴(kuò)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(hù)和控制作用。工控機(jī)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(dāng)讀有效為低電平時(shí)，8254的數(shù)據(jù)可通過SN74HC245輸入到計(jì)算機(jī)；讀有效為高電平時(shí)，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸出。CS245實(shí)現(xiàn)只有計(jì)算機(jī)與8254交換數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)現(xiàn)接口地址譯碼，為細(xì)分辨向電路提供時(shí)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(jìn)行反復(fù)的編程和擦除，且具用低功耗、高速的特點(diǎn)。常用GAL器件有GAL16V8、GAL20V8、GAL22V10等。
GAL16V8、GAL20V8的使用方泛。但對于某些應(yīng)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(xiàng)不能超過8個(gè)； 能配置的輸出引腳最多只有8個(gè)；不能對寄存器進(jìn)行復(fù)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(gè)與門，且輸出管腳上的與門不是平均分配；邏輯設(shè)計(jì)表達(dá)式中“與”項(xiàng)最多為22個(gè)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(gè)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(fù)位可由二個(gè)與門進(jìn)行統(tǒng)一的置位控制。
GAL22V10的邏輯設(shè)計(jì)軟件可用ABEL（3。0版以上）或其他高級邏輯設(shè)計(jì)語言。如PROTEL公司的Protel 98/99都集成了一個(gè)CUPL邏輯設(shè)計(jì)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。Protel 199的PLD設(shè)計(jì)工具支持實(shí)時(shí)檢測，并給出錯(cuò)誤提示。通過其中的PLD-CUPL Wizard可很快捷地建立基于原理圖或文本方式的PLD設(shè)計(jì)文件，對這個(gè)文件進(jìn)行編譯，就可得到符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC文件（*。JED）。
ABEL語言是美國DATA I/O公司的一種高級編譯型邏輯設(shè)計(jì)語言，它以其方便、靈活、易于掌握的特點(diǎn)，深受硬件邏輯設(shè)計(jì)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(jì)進(jìn)行語法檢查、邏輯化簡、自動(dòng)成符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的JED文件中的錯(cuò)誤，或發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生幫障的隱患，以提高設(shè)計(jì)的可靠性。ABEL軟件是通用的PLD器件設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)床伺服系統(tǒng)對位置反饋要求精度高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)智能接口模塊來處理光柵尺信號，然后將其輸入工控機(jī)。在接口電路中利用GAL22V10芯片，可實(shí)現(xiàn)I/O端口控制和地址譯碼。GAL器件的使用，實(shí)現(xiàn)了用一片芯片代替幾個(gè)芯片，不僅減小了接口電路的體積，簡化了電路的設(shè)計(jì)，且減少了