基于增量式光柵編碼器的數控系統(tǒng)找零算法及編程實現

袁向榮

(山東英才學院機械制造與自動化工程學院，山東濟南 250104)

光柵編碼器具有測量精度和分辨率高、抗干擾能力強、易于和計算機接口等突出優(yōu)點，是數控系統(tǒng)中常用的一種位移傳感器，按照其測量原理又分為絕對式光柵編碼器和增量式光柵編碼器。利用絕對式編碼器能夠獲得任意位置的編碼，因此，上電即可進入工作狀態(tài)，但普通絕對式編碼器價格偏高且結構復雜;而傳統(tǒng)的增量式編碼器結構簡單、成本低，但上電后必須首先進行找零以確定位置參考點，因此需要較長的設備初始化時間。在可轉位刀片周邊磨削數控系統(tǒng)中，采用了增量式光柵編碼器對刀片進給軸進行位移測量。對于砂輪擺動軸，上電后需要確定其絕對位置，因此采用了一種帶距離編碼的增量式光柵編碼器代替絕對式編碼器。該編碼器上刻有帶距離編碼的參考點，這些參考點彼此相距數學算法確定的距離，軸運動一段微小的距離后就能計算出坐標軸的絕對位置。文中將介紹利用增量式光柵編碼器進行X軸回零以及W軸的找零算法及其在運動控制器中的編程實現。

1 光柵編碼器的工作原理

光柵編碼器由光源、透鏡、光柵副 (標尺光柵和指示光柵)、光敏元件四大部分組成，光柵編碼器是基于莫爾條紋進行工作的。將光柵常數完全一致的標尺光柵和指示光柵疊合在一起，并使兩者的柵線間有一微小夾角，當光線照射時，由于干涉作用在兩光柵的刻線重合處就會形成亮帶，在兩光柵的刻線錯開處會形成暗帶，這種亮帶和暗帶就是明暗相間的莫爾條紋，如圖1所示，莫爾條紋的方向與刻線方向近似垂直，莫爾條紋的特性由光柵刻線決定。若設相鄰莫爾條紋的間距是B，則表達式為

式中:W為光柵常數，θ為兩光柵刻線的夾角。

圖1 莫爾條紋

光柵編碼器就是利用光敏元件將莫爾條紋移動所產生的光強變化轉化為近似正弦的電信號輸出，從而間接測量位移量。這種測量方式的優(yōu)點是:

(1)借助莫爾條紋對位移的放大作用，能實現高靈敏度的位移測量;

(2)莫爾條紋對刻線誤差的平均效應能夠在很大程度上消除刻線的局部誤差，與直接測量相比，具有更高的測量精度。

2 可轉位刀片周邊磨削數控系統(tǒng)硬件結構

該系統(tǒng)采用兩級主從式分布結構，硬件部分主要包括工業(yè)計算機、運動控制器、伺服驅動器以及運動平臺，其硬件結構如圖2所示。

圖2 可轉位刀片周邊磨削數控系統(tǒng)硬件結構圖

其中，工業(yè)計算機為系統(tǒng)的主控制核心，主要作用是發(fā)布數控系統(tǒng)的控制指令，包括顯示人機交互界面、設置系統(tǒng)和用戶參數、文件管理、發(fā)送運動控制指令和處理反饋信息等功能;運動控制器是實現系統(tǒng)實時控制的核心，對伺服驅動器進行驅動和運動控制。

為了提高控制精度，將電機編碼器的反饋信號與伺服驅動器構成速度環(huán)，而外部的光柵編碼器檢測的位置信號與數控系統(tǒng)構成位置環(huán)，從而組成雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

3 位置檢測元件的選取

由自動控制原理可知，閉環(huán)控制系統(tǒng)的定位與跟隨精度主要取決于位置檢測元件的精度，所以檢測元件的選取非常重要。

在可轉位刀片周邊磨削數控系統(tǒng)中，X軸為刀片進給軸，控制刀片的前后移動，系統(tǒng)設計上X軸上電回參考點，并且X軸回參考點的方向唯一確定，為遠離砂輪的方向，因此采用增量式光柵編碼器。

W軸為砂輪擺動軸，W軸上電時需要確定其絕對位置。在該數控系統(tǒng)中，采用了一種帶距離編碼的增量式光柵編碼器進行位置檢測，從功能上講，該結構相當于將增量式編碼器用作準絕對式編碼器，可以計算得出坐標軸的絕對位置，是對傳統(tǒng)的光柵增量式編碼器一種有效改進。

4 找零算法及編程實現

4.1 X軸回零程序

X軸正確回參考點需要兩個信號，一個為由光電開關檢測的到達參考點的home信號，檢測到該信號后電機開始低速前進，這時開始捕捉編碼器的零點信號 (Z信號)，捕捉到Z信號后電機減速至零，并反方向低速旋轉，重新捕捉到Z信號的位置即為X軸的參考點位置，然后將坐標值重置為系統(tǒng)的設定值。這種回零方式可以消除回零過程中電機反向所帶來的反向誤差。

系統(tǒng)軟件設計上，實時性強的控制任務主要由運動控制器來完成。在運動控制器中實現X軸回零過程的程序如下:

4.2 W軸絕對位置的獲取及編程

W軸采用帶距離編碼的增量式光柵編碼器，計算坐標軸當前絕對位置的原理是:在光柵編碼器上刻有帶距離編碼的參考點，這些參考點彼此相距數學算法確定的距離，移過兩個參考點后 (通常只有數毫米)，就可以計算出坐標軸的絕對位置。通過編碼器制造商提供的計算公式可以計算出第一個零點信號的位置，然后加上第一個零點信號到當前的距離就可以得到W軸的絕對坐標，帶距離編碼的增量式光柵編碼器的距離編碼如圖3所示。

圖3 帶距離編碼的增量式光柵編碼器距離編碼示意圖

若用P1表示以信號周期為單位的第一個移過的參考點位置;MRR表示移過的兩個參考點間的信號周期數;N為兩個參考點間用信號周期數表示的名義增量值;D為正轉或反轉 (+1或－1，讀數頭向右為+1)。則參考點絕對位置可用下列公式計算:

在運動控制器中獲取W軸絕對位置的程序設計如下:

5 結束語

在可轉位刀片周邊磨削數控系統(tǒng)中，為保證刀片進給軸和砂輪擺動軸的精確定位，采用了增量式光柵編碼器，并且采用了一種帶距離編碼的增量式光柵編碼器代替絕對式編碼器來確定砂輪擺動軸的絕對位置，介紹了其找零算法及其在運動控制器中的編程實現。利用具有一定分布規(guī)律的參考刻線，在不通過編碼器零位的情況下計算出其絕對位置，這種距離編碼及其自動找零算法不僅加速了找零過程，而且提高了編碼器的找零精度，具有較高的應用價值。

【1】梁森，王侃夫，黃杭美.自動檢測與轉換技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006:188－190.

【2】盛曉超，陶濤，張東升，等.基于運動控制器的開放式數控系統(tǒng)設計［J］.機床與液壓，2011，39(19):58－60.

【3】雒寶瑩，王旭永，苗中華，等.一種帶有距離編碼的增量式編碼器的找零算法及實現［J］.上海交通大學學報，2009，43(4):643 －646.

【4】時魁，高云國，趙勇志，等.增量式光柵編碼器與絕對式編碼器性能比較和分析［J］.機械設計與制造，2011(1):96－97.

【5】李華濤.可轉位刀片周邊磨削數控技術研究［D］.濟南:山東大學，2012.