基于光栅测量的数控机床精度控制及故障处理.pdf

2 0 1 4年第6期 工业仪表与 自动化装置 5 3 基于光栅测量的数控机床精度控制及故障处理 蒙斌 宁夏大学 机械工程学院， 银川 7 5 0 0 2 1 摘要 分析 了闭环伺服 系统的控制特性和控制要求。对采用光栅作为检测装置的数控机床 ， 指 出了影响数控机床控制精度和加工精度的主要 因素。提 出了对检测反馈信号进行倍频处理 ， 从 而 提高闭环伺服 系统检测精度及控制精度 的措施 。给 出了倍频处理 电路和 E X E信号处理 电路 的设 计方法。针对光栅使用中可能出 现的故障， 给出了故障诊断及处理方法。该方法不但可以提高数 控机床的控制精度 ， 改善 闭环控制 系统的特性， 而且可以方便地进行测量 系统故 障的诊 断与处理。 关键词 数控机床 ； 光栅测量 ； 精度控制 ； 故障处理 中图分类号 T G 6 5 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 00 6 8 2 2 0 1 4 0 6 0 0 5 3 0 3 Pr e c i s i o n c o n t r o l a n d f a u l t h a nd l i ng o f r a s t e r - b a s e d me a s ur e me nt f o r CNC ma c h i ne t o o l s MENG Bi n C o l l e g e o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， Ni n g x i a U n i v e r s i t y ， Y i n c h u a n 7 5 0 0 2 1 ， C h i n a Abs t r a c t An a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s a nd c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f a c l o s e dl o o p s e r v o c o n t r o l s y s t e rn． P o i n t t h e i mp a c t f a c t o r o f c o n t r o l a c c u r a c y a n d p r e c i s i o n t o CNC ma c hi ne t o o l us i n g r a s t e r a s a d e t e c t i o n d e v i c e ．Pr o po s e a me t h o d u s i n ge q ue n c y p r o c e s s i n g o fe d b a c k s i g n a l t o i mp r o v e t h e de t e c t i o n a c c u r a c y a n d c o n t r o l p r e c i s i o n o f c l o s e dl o o p s e r v o s y s t e m． E x p o u n d t h e d e s i g n me t h o d o f c i r c u i t o f s 培一 n a le q u e n c y p r o c e s s i n g a n d p r o c e s s i n g ． An d g i v e s a me t h o d o f f a u l t d i a g n o s i s a n d t r e a t me nt t o t h e p o s s i b l e f a i l u r e o f r a s t e r i n us e ．Th i s me t h o d n o t o n l y c a n i mpr o v e t h e c o n t r o l p r e c i s i o n o f CNC ma c h i n e t o o l a n d i mp r o v e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m，b u t a l s o c a n e a s i l y d i a g n o s e a n d t r e a t t he f a u l t o f me a s u r e me n t s y s t e m． Ke y wo r d s CNC ma c h i ne t o o l ；g r a t i n g me a s u r e me n t ；p r e c i s i o n c o n t r o l ；f a u l t h a n d l i n g 0 引言 在机械制造领域 ， 闭环伺服系统主要应用于精 度要求高的大型数控机床上。闭环伺服系统的检测 装置直接装在移动部件上 ， 是一种直线位移的终端 检测， 所以即使传动链有误差， 也不会对检测精度带 来影响， 因此可 以达到很高 的控制精度。但这并不 能说明闭环伺服系统的调试 和维修简单 ， 也不能认 为闭环伺服系统可以降低对传动机构的要求。事实 上， 传动机构的许多因素会影响系统的动态特性 ， 给 调试和维修带来困难 ， 导致调整闭环环路 时必须要 降低位置增益 ， 这又会对跟随误差与轮廓加工误差 产生不利影响 J 。采用闭环方式 时， ～方面必须增 大机床的刚性， 改善滑动面的摩擦特性， 减少传动间 隙 ， 这样才有可能提高位置增益 ； 另一方面必须对检 收稿 日期 2 0 1 4 0 40 2 作 者简介 蒙斌 1 9 7 9 ， 男， 宁夏 隆德 人 ， 硕 士， 副教授 ， 主要从 事机 电一体化及数控技术方面的的教学科研 工作。 测装置 如光栅 的反馈信号进行必要地处理 ， 提高 检测精度， 从而提高闭环伺服系统的位置控制精度。 1 光栅在数控机床上的应用 光栅在数控机床上主要用来测量工作台的直线位 移， 由光栅作为检测装置的闭环伺服系统的控制原理 如图 1 所示。光栅主要由标尺光栅和指示光栅组成 ， 当标尺光栅相对指示光栅移动时， 莫尔条纹就沿着垂 直于光栅尺运动的方向移动， 光栅尺每移动一个栅距 ∞ 水平方向 ， 莫尔条纹就准确地移动一个纹距 垂 直方向 。由于栅距非常小， 当工作台在水平方向移动 一 个实际栅距 微小位移量 时， 观察起来很不明显， 但 纹距相对栅距来说就要大得多， 在垂直方向观察纹距 的变化就要明显的多， 这也实际上起到了检测信号的 放大作用。测量时， 只要准确测量出莫尔条纹的数目， 就可以知道光栅尺移动了多少个栅距， 而栅距是制造 光栅尺时确定的， 因此工作台的移动距离就可以计算 出来。如一光栅尺栅距 0 ． 0 1 re a l ， 测得由莫尔条纹 5 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第 6期 产生的脉冲为 1 0 0 0个， 则安装有该光栅尺的工作台移 动了0 ． 0 1 m m ／ 条 X 1 0 0 0个 1 0 m n l 。所以光栅能检 测的最小位移 检测精度 就取决于光栅的栅距， 也 即单位长度上刻线 的数 目。而光栅是精密 光学器 件 ， 当单位长度上刻线的数 目很大时 ， 光栅就变得很 脆弱 ， 容易损坏 ， 从而无法使用。所 以不能单靠缩小 栅距来提高检测精度 ， 实际使用 中必须对光栅 的测 量信号进行细分处理来提高检测精度。 2 r _ _ _ ] 厂 ． 面 I ] 插 补 指 令 图 1 闭环伺服系统 c o s 信号经整形变成方 波 A B， A 、 B信 号 经 反 向得 C、 D信 号 。A、 B、 C、 D 信 号 再 经 微 分 变 成 窄 脉 冲 A 、 B 、 C 、 D 。在 正 向 或 反 向 移 动 时 每 个 方 波 的 上 升 沿 产 生 窄 脉 冲 ， 由与 门 电路 把0。 、9 0 。 、1 8 0 。 、 2 7 0 。 共 4个 位 置 上 产 生 的 窄 脉 冲 组 合 起 来 ， 根 据 不 同 的移 动 方 向 形 成 正 向 脉 冲或 反 向脉 冲 ， 用 可 逆计 数 器 进 行 计 数 ， 2 光栅测量的精度控制原理 在光栅测量系统中， 提高分辨率和测量精度， 不 可能仅靠增大栅线 的密度来实 现， 实 际使用 中必须 采用信号 细分技术。该文采用莫 尔条纹 的细分技 术 ， 也叫倍频处理。具体方法是通过倍频处理 电路 将光栅在单位时间里产生的莫尔条纹的数 目增加若 干倍 ， 从而提高检测 的分辨率。图 2为 4倍频光栅 位移 一 数字变换电路。 光栅移动时产生的莫尔条纹信号 由光电池组接 收， 然后经过位移 一 数字变换电路， 形成正、 反向移 动时的正 、 反 向脉冲 ， 再 由可逆计数器接收。图中由 4块光电池发出的信号分别为 n 、 b 、 c l、 d， 相位依次相 差 9 0 。 。口 、 c 信号相位差为 1 8 0 。 ， 送入其中的一个差 动放大器 ， 将信号幅度进行放大 ， 得 s i n信号 ； 同理 ， 6 、 d信号送人另一个差动放大器， 得到 C O S 信号。s i n 、 a 原理 框 即可获 得 经 过倍 频 处理 后 的脉 冲个 数 也 即莫 尔条 纹 的数 目。由于 总 的输 出脉 冲数 增 加到 4倍 ， 便 可 使 检 测 分 辨 率 提 高 4倍 ， 从 而 提 高 了闭环 伺 服 系统 的控 制精 度 。 3 光栅测量的信号处理及故障诊断 3 ， 1 输出信号处理 图3 所示为光栅测量装置在数控机床中的应用。 检测装置的输出信号为正弦电流信号， 其中E X E为脉 冲整形插值器。光栅测量系统由光栅尺、 脉冲整形插 值器 E x E 、 扫描头及连接电缆等部件组成 j 。 机床在运动过程中 ， 从扫描单元输 出 3组信号 2组增量信号由4 个光电池产生， 把 2个相差 1 8 0 。 的光 电池接在一起， 它们的推挽就形成了相位差 9 0 。 、 幅值 b逻辑电路图 脉冲 脉冲 图 2 光 栅信号 4倍频 电路 为l l A左右的2 组近似正弦波； 一组基准信号也由2 个相差 1 8 0 。 的光电池接成推挽形式， 输出为一尖峰信 号 。 ， 其有效分量约为 5 ． 5 ， 此信号只有经过基准 标志时才产生。所谓基准标志， 是在光栅尺身外壳上 装有一块磁铁， 在扫描单元上装有一只干簧管， 在接近 磁铁时， 干簧管接通， 基准信号才能输出。 光 C 图 3 光栅尺组成 如图4 所示， 2组增量信号 、 和基准信号 2 0 1 4年第 6期 工业仪表与自动化装置 5 5． 。经传输电缆和插接件进入 E X E， 经放大 、 整形后 ， 输 出 2路相位差 9 O 。 的方波信号 u 。 。 、 U 。 及参考信 号 。 。 ， 这些信号经适当组合处理， 即可在一个信号 周期 内产生 4个脉冲， 即4倍频处理 ， 经连接器送至 C N C位控模块， 可使检测信号的精度提高4倍。 筒 厶。 ～ I 3 ． 2基于 E X E的信号处理 脉冲整形插值器 E X E 的作用是将光栅 尺或 编码器 输 出的增量 信号 、 ， 和 ， 。 进行放大 、 整 形、 倍频和报警处理， 输出至 C N C进行位置控制。 E X E由基本电路和细分 电路组成 ， 如图 5所示。 图 5 E X E电路组成 基本 电路板内含通道放大器 、 整形 电路 、 驱动和 报警电路等； 细分电路作为一种任选功能， 单独制成 一 块线路板 ， 两板之间通过 J ， 连接器连接 j 。 ①通道放大器。当光栅检测产生正弦波电流信 号 ， 经通道放大器 ， 输出一定幅值 的正弦电流电压。 ②整形电路。在对 、 和 。 放大的基础上， 经 整形电路转换成与之相对应的3 路方波信号 、 及 0 ， 其 1 T I 1L高电平≥2 ． 5 V， 低电平≤0 ． 5 V。 ③报警电路。当光栅 由于输入 电缆断裂、 光栅 污染或灯泡损坏等原 因， 造成通道放大器输 出信号 为零 ， 这时报警信号经驱动电路驱动后， 由连接器 J ， 输出至 C N C系统。 ④细分电路 倍频电路 。在某些精度很高的 数控机床 ， 如数控磨床的位置控制中， 要求位置测量 有较高的分辨率 ， 如仅靠光栅尺本身的精度不能满 足， 为此必须采用细分电路来提高分辨率， 以适应高 精度机床的需求。 具体检测时 ， 基本电路通道放大器 的输出信号 经连接器 J ， 接入细分电路 ， 经细分电路处理后 ， 又通 过连接器 J 。 输 出在一个周期 内两路相位差 9 0 。 、 占 空 比为 1 1的四细分方波信号 。这两路方波信号经 基本电路 中的驱动电路驱动后 ， 即为对应 的 和 通道信号， 由连接器 J 输出至 C N C系统， 由 C N C 系统的位控模块完成位置 的闭环控 制_ 5 J 。同步 电 路的作用是为了获得与 和 U 。 两路方波信号前、 后沿精确对应的方波参考脉冲。 3 ． 3 故障诊断及处理 当数控机床出现位置环开环报警时， 将 E X E电 路与 C N C装置的连接断开 ， 在 C N C装置上 ， 把 J ， 连 接器上的 5 V线与报警线 A L M连在一起， 合上数 控系统 电源 ， 观察报警是否再现 ， 便可迅速判断出故 障的部位是在测量 系统还是在 C N C装 置的接 口板 上。若问题出现在测量系统， 则可测 J 连接器上有 无信号输入 ， 这样便可将故障定位在光栅尺本身 或 E X E脉冲整形电路 。若故 障在光栅本身 ， 则要检查 光栅尺是否断裂、 缺线， 是否存在油污污染， 光栅读 数头是否损坏； 若故障在 E X E脉冲整形电路， 则要 分别检查通道放大器、 整形电路、 细分电路和驱动电 路是否完好 ， 输出信号的波形是否正常_ 6 ] 。 4 结束语 数控机床闭环控制的目的是提高数控机床的控 制精度 ， 从而提高零件的加工精度 ， 所以主要用在大 型精密数控机床上。而闭环伺服系统想要实现高的 控制精度 ， 就必须提高检i 贝 0 装置 的检测精度 ， 在使用 光栅作为检测装置时， 就要提高光栅输出信号的分 辨率。采用文章阐述的信号倍频处理和 E X E脉冲 整形电路处理 ， 即可提高光栅测量系统的检测精度 ， 从而实现闭环控制的控制精度 。同时可方便地进行 光栅测量系统的故障诊断及处理。 参考文献 [ 1 ] 李麒． E X E光栅尺用脉冲整形电路原理剖析[ J ] ． 制造 技术与机床， 1 9 9 6 6 3 7 4 0 ． [ 2 ] 蒙斌． 数控原理与数控机床[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 鲜志刚． 应用西门子 8 4 0 C数控系统改造 F o u n a凸轮 轴磨床的研究[ D] ． 成都 四川大学 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 蒋连凤． 光栅数字信号采集技术研究[ D ] ． 北京 中国 科学院研究生院， 2 0 1 0 ． [ 5 ] 徐盛学． 半闭环数控机床误差补偿技术研究[ J ] ． 广东 白云学 院学 报 ， 2 0 1 0 ， 1 7 2 4 8 5 1 ． [ 6 ] 张建辉． 激光干涉仪在提高数控机床定位精度中的应 用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 4 1 1 41 1 5 ．