基于DSP的數(shù)控XY工作臺(tái)同步觸發(fā)測(cè)控系統(tǒng)

楊洪濤 顧嘉輝 江 磊 李 莉

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001)

1 引 言

數(shù)控XY工作臺(tái)是在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，其定位誤差直接影響在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，必須建立考慮溫度、運(yùn)動(dòng)速度、X/Y坐標(biāo)位置影響因素在內(nèi)的工作臺(tái)誤差補(bǔ)償模型，進(jìn)行有效補(bǔ)償，才能提高其定位精度[1,2]。為了開展有效的誤差補(bǔ)償驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，必須設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)XY工作臺(tái)的溫度、運(yùn)動(dòng)速度和光柵讀數(shù)值(X/Y坐標(biāo))進(jìn)行實(shí)時(shí)同步采集，與位移標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行同步觸發(fā)比對(duì)[3]。近年來不少學(xué)者對(duì)機(jī)床的單個(gè)誤差影響因素，研制了相應(yīng)的測(cè)量電路，如文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于PT100溫度傳感器和PCI8310數(shù)據(jù)采集卡的機(jī)床多通道溫度采集系統(tǒng)[4]。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于Arduino Uno和數(shù)字溫度傳感器DS18B20的數(shù)控機(jī)床溫度測(cè)量系統(tǒng)[5]。文獻(xiàn)[6]利用PCI-9118采集卡和熱電偶對(duì)數(shù)控銑削溫度進(jìn)行采集[6]。文獻(xiàn)[7]利用DSP實(shí)現(xiàn)光柵尺的鑒相和計(jì)數(shù)測(cè)量[7]。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用DSP對(duì)光柵尺信號(hào)進(jìn)行接收和處理，來提高二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度[8]。文獻(xiàn)[9]利用可編程邏輯器PLD和單片機(jī)AT89S52實(shí)現(xiàn)了光柵信號(hào)的細(xì)分辨向和信號(hào)采集[9]。文獻(xiàn)[10]利用DSP實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)式光電編碼器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量[10]。但以上測(cè)量系統(tǒng)都是單獨(dú)測(cè)量某個(gè)工作臺(tái)誤差影響因素，無法實(shí)現(xiàn)多影響因素同步實(shí)時(shí)采集和工作臺(tái)光柵與位移標(biāo)準(zhǔn)量同步觸發(fā)，因此本文根據(jù)數(shù)控XY工作臺(tái)相關(guān)性誤差驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)要求，采用DSP為主控芯片，利用PT100溫度傳感器、光柵尺、編碼器等傳感元件，應(yīng)用光柵尺測(cè)量工作臺(tái)移動(dòng)位移，以高精度電感測(cè)微儀為位移標(biāo)準(zhǔn)量，設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度、運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)時(shí)采集、X/Y坐標(biāo)位置(光柵尺)和位移標(biāo)準(zhǔn)量的同步觸發(fā)采樣比對(duì)，驗(yàn)證XY工作臺(tái)的定位誤差補(bǔ)償效果。

2 數(shù)控XY工作臺(tái)相關(guān)性誤差試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成與工作原理

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控XY工作臺(tái)相關(guān)性誤差驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由PT100溫度傳感器、工作臺(tái)面、龍門支架、擋板、電感測(cè)微儀、帶編碼器的伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、光柵尺、導(dǎo)軌、底座、滾珠絲杠、外圍電路、DSP構(gòu)成，整體由光具座支撐。

XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)由電控柜、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，通過上位機(jī)編程驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)工作臺(tái)面實(shí)現(xiàn)X、Y方向的移動(dòng)。為開展有效的工作臺(tái)誤差補(bǔ)償驗(yàn)證試驗(yàn)，在原工作臺(tái)基礎(chǔ)上集成了8路溫度采集、2路編碼器速度采集、X/Y光柵讀數(shù)值采集(X/Y坐標(biāo))和電感測(cè)微儀同步觸發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能對(duì)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的溫度、速度、坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步采集，而且能以電感測(cè)微儀到達(dá)預(yù)設(shè)位移量時(shí)的信號(hào)，觸發(fā)光柵尺同步計(jì)數(shù)，以電感測(cè)微儀位移量為標(biāo)準(zhǔn)量，與光柵尺移動(dòng)量進(jìn)行同步比對(duì)，驗(yàn)證利用不同影響因素影響下的誤差補(bǔ)償后的工作臺(tái)定位精度。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

除了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制電路，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同步觸發(fā)測(cè)控硬件電路由溫度測(cè)量電路、光柵尺測(cè)量電路、編碼器測(cè)量電路和電感測(cè)微儀觸發(fā)電路組成，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)主控芯片采用TMS320F28335 DSP(以下簡(jiǎn)稱F28335)。

3.1 測(cè)控電路

各種傳感器測(cè)控電路與F28335硬件連接圖如圖2所示，電感測(cè)微儀觸發(fā)電路通過外圍電路與F28335的ADCINA0相連，通過DSP的片內(nèi)外設(shè)ADC實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)采集。8路PT100溫度傳感器通過外圍電路與F28335的ADCINB0～ADCINB7相連，因?yàn)閄Y工作臺(tái)溫度變化緩慢，所以共用片內(nèi)外設(shè)ADC對(duì)溫度同步采集影響不大。絕對(duì)式光柵尺通過外圍電路轉(zhuǎn)化將差分信號(hào)變成單端信號(hào)，X、Y光柵各自產(chǎn)生兩路A、B信號(hào)分別與F28335的GPIO12、GPIO13、GPIO32、GPIO33相連，通過外部中斷的方式進(jìn)行光柵信號(hào)采集。2路編碼器信號(hào)通過外圍電路與F28335的GPIO24、GPIO25相連，利用DSP的eCAP模塊實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)移動(dòng)速度采集。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)連接圖

3.2 溫度測(cè)量電路

單通道溫度測(cè)量電路如圖3所示，通過TL431可控精密穩(wěn)壓源和OP07軍用運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源，為增強(qiáng)抗干擾性，通過后級(jí)儀表放大器AD620對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，設(shè)定0℃時(shí)OUT端的輸出電壓為1V。另外，為避免誤操作對(duì)后級(jí)器件的損壞，設(shè)計(jì)了限壓電路，將電壓限制在3V以下，以此來保護(hù)F28335的ADC，外圍電路中的OUT分別與F28335的ADCINB0～ADCINB7相連。

圖3 單通道溫度測(cè)量電路

3.3 光柵尺測(cè)量電路

光柵尺測(cè)量硬件電路圖如圖4所示。光柵外部接口通過高速光耦HCPL0631將絕對(duì)式光柵尺的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路單端的TTL信號(hào)，利用74LS14施密特觸發(fā)器對(duì)TTL信號(hào)進(jìn)行濾波整形。為保護(hù)后級(jí)DSP不受損，采用限壓電路將TTL幅值限制在3V，X光柵的外部接口A+、A-、B+、B-依次與光柵采集電路的A+、A-、B+、B-相連，輸出端與F28335的GPIO12、13口相連，Y光柵采集外圍電路與F28335的GPIO32、33相連。

圖4 X光柵尺測(cè)量電路

3.4 電感測(cè)微儀觸發(fā)電路

電感測(cè)微儀采用基恩士GT2-P12K電感測(cè)微儀測(cè)頭和GT2-71MCN放大器，放大器自帶兩個(gè)模擬量輸出接口。當(dāng)測(cè)微儀測(cè)頭移動(dòng)時(shí)，可以輸出相應(yīng)的(4～20)mA線性化電流，利用這一特性對(duì)電感測(cè)微儀進(jìn)行改造來觸發(fā)光柵采集脈沖。本文設(shè)計(jì)的電感測(cè)微儀觸發(fā)電路如圖5所示，測(cè)微儀的兩路模擬量通過IN0和IN1輸入，經(jīng)過濾波后輸入到100Ω的采樣電阻R1兩端，將R1兩端的輸出OUT0和GND分別與F28335的ADC的ADCINA0和GND相連。

圖5 電感測(cè)微儀觸發(fā)電路

3.5 編碼器電路

編碼器電路如圖6所示。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠輸出編碼器的差分信號(hào)(A+、A-)，通過AM26LS32將差分轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，利用74LS14施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波整形，為保護(hù)片內(nèi)外設(shè)，采用限壓電路將信號(hào)幅值限制在3V，輸出端與F28335的GPIO24相連，Y軸編碼器輸出端與GPIO25相連。

圖6 X編碼器測(cè)量電路

4 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示是通過CCS6.1.3集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，整個(gè)軟件由主程序和三個(gè)子程序組成，測(cè)控系統(tǒng)的程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4.1 主程序

主程序包括系統(tǒng)初始化、調(diào)用各個(gè)子程序、讀取各轉(zhuǎn)換函數(shù)值。

4.2 電感測(cè)微儀與溫度子程序

將電感測(cè)微儀4mA和20mA時(shí)位移的上下限分別設(shè)置為0mm和12mm，由此可得100Ω采樣電阻兩端的理想電壓表達(dá)式為

(1)

式中：W——測(cè)微儀示值。

由于環(huán)境因素、電子元器件本身精度等影響，實(shí)際電感測(cè)微儀的觸發(fā)算法關(guān)系模型，是利用萬用表測(cè)量電感測(cè)微儀移動(dòng)時(shí)采樣電阻的輸出電壓值建立，如公式(2)所示。

(2)

當(dāng)測(cè)微儀示值分別為3mm和9mm時(shí)，電壓表測(cè)得其輸出電壓分別為0.801V和1.601V。F28335的內(nèi)部ADC是12位分辨率，其采樣端口的輸入電壓為3V，由此可得其轉(zhuǎn)換分辨率約為0.7326mV。通過與子程序的ADC采集量比對(duì)，判斷當(dāng)電壓值大于等于0.801V(實(shí)際ADC采得值約為0.80146V)時(shí)，標(biāo)志位flag置1，啟動(dòng)光柵子程序采集脈沖；當(dāng)ADC電壓值大于1.601V(實(shí)際采得值約為1.60146V)時(shí)，標(biāo)志位flag清0，停止光柵子程序采集脈沖。

圖8 PT100溫度與電壓擬合圖

XY工作臺(tái)熱源溫度在四季中的變化范圍為(10～40)℃，因此將采樣標(biāo)定的溫度定為(0～50)℃，查閱PT100分度表可知其阻值的變化范圍為(100～119.397)Ω。利用200Ω精密可調(diào)電位器代替PT100，并結(jié)合萬用表對(duì)溫度測(cè)量電路在(0～50)℃每隔5℃進(jìn)行一次數(shù)據(jù)標(biāo)定，結(jié)果用MATLAB擬合，得到擬合曲線如圖8所示，電壓與溫度關(guān)系式為

T=291.1203×U-291.1037

(3)

式中：T——溫度。

將測(cè)量值與擬合曲線作殘差，得到5℃時(shí)殘差最大約為0.326℃。為提高溫度信號(hào)的穩(wěn)定性，編寫了多次采集求平均值的溫度采集算法。

4.3 光柵子程序

光柵辨向通過外部中斷內(nèi)判斷高低電平實(shí)現(xiàn)。光柵的差分信號(hào)通過光柵采集外圍電路得到A、B兩個(gè)單端信號(hào)，當(dāng)工作臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A相脈沖超前B相脈沖90°，程序通過A相上升沿進(jìn)入外部中斷1，B相每次為低電平就進(jìn)行計(jì)數(shù)加一；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A相脈沖滯后B相脈沖90°，程序通過B相上升沿進(jìn)入外部中斷2，A相每次為低電平就進(jìn)行計(jì)數(shù)減一，由此實(shí)現(xiàn)脈沖辨向計(jì)數(shù)。

4.4 編碼器子程序

數(shù)控機(jī)床在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的觸測(cè)速度在3mm/s以內(nèi)，因此本文將XY工作臺(tái)的測(cè)量速度定為(1～3)mm/s，伺服驅(qū)動(dòng)器每輸出10000脈沖使得工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)5mm，編碼器轉(zhuǎn)一圈，由此可獲得編碼器的脈沖頻率為(2～6)kHz。為實(shí)時(shí)獲取工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，本文采用F28335的eCAP模塊捕獲編碼器的A相脈沖信號(hào)，通過差分捕獲的方式獲取計(jì)數(shù)器的值并將其保存在相應(yīng)的寄存器中，其算法為4次捕獲后進(jìn)中斷求平均值。

5 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本文利用溫度傳感器、光柵尺、編碼器、電感測(cè)微儀和研制的數(shù)控XY工作臺(tái)搭建如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行溫度、速度實(shí)時(shí)采集和工作臺(tái)移動(dòng)距離同步觸發(fā)比對(duì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到的工作臺(tái)在同步觸發(fā)前和觸發(fā)后的數(shù)據(jù)如圖10所示，其中speed代表速度，mm/s；dist代表觸發(fā)期間光柵移動(dòng)的距離，mm；temp代表溫度，℃。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，通過上位機(jī)1設(shè)置工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度為1mm/s，運(yùn)動(dòng)距離為11mm，電感測(cè)微儀觸發(fā)距離設(shè)置為3mm和9mm。根據(jù)圖10(a)可知，工作臺(tái)觸發(fā)前運(yùn)動(dòng)速度為1.007mm/s，溫度為18.358℃，光柵移動(dòng)距離為0mm。根據(jù)圖10(b)可知，工作臺(tái)觸發(fā)完成時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度為1.031mm/s，溫度為18.145℃，光柵移動(dòng)距離為5.992mm，與電感測(cè)微儀行程相差0.008mm。

圖9 數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)裝置

圖10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于工作臺(tái)的定位誤差受溫度、運(yùn)動(dòng)速度和坐標(biāo)位置的影響，因此必須分析這些影響因素對(duì)本文設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)控精度的影響。由于工作臺(tái)體積較大，不能放入現(xiàn)有的溫控箱中，所以暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)功能。本文僅考慮運(yùn)動(dòng)速度和X向坐標(biāo)位置對(duì)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)控精度的影響，其中坐標(biāo)位置選取距X軸距離原點(diǎn)處(3～9)mm和(13～19)mm兩段，運(yùn)動(dòng)速度選擇1mm/s、2mm/s和3mm/s，按照上面實(shí)驗(yàn)步驟開展比對(duì)實(shí)驗(yàn)，得到的兩個(gè)坐標(biāo)位置、三種運(yùn)動(dòng)速度下的測(cè)控系統(tǒng)誤差(光柵與電感測(cè)微儀差值)如表1所示。同時(shí)在3mm～9mm坐標(biāo)位置、3mm/s運(yùn)動(dòng)速度下開展3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到的測(cè)控系統(tǒng)誤差如表2所示。

表1 不同影響因素下的測(cè)控系統(tǒng)誤差Tab.1 Measuringerrorunderdifferentinfluencingfactors速度(mm/s)位置(mm)定位誤差(mm)位置(mm)定位誤差(mm)13^90.00813^190.00623^90.00813^190.00433^90.00613^190.008

表2 同一運(yùn)動(dòng)速度下測(cè)控系統(tǒng)重復(fù)性誤差Tab.2 Measuringrepeatabilityerrorinthesamemovingvelocity速度(mm/s)位置(mm)定位誤差(mm)33^90.00633^90.00633^90.006

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，在不同運(yùn)動(dòng)速度下，不同X軸位置測(cè)控系統(tǒng)誤差最大不超過0.008mm。同一運(yùn)動(dòng)速度下，不同X軸位置測(cè)控系統(tǒng)誤差變化不超過0.004mm。在同一X軸位置段和同一運(yùn)動(dòng)速度下，測(cè)控系統(tǒng)誤差重復(fù)性為0mm。因此本文設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)控XY工作臺(tái)溫度、運(yùn)動(dòng)速度實(shí)時(shí)采集，光柵讀數(shù)值(X/Y坐標(biāo))與電感測(cè)微儀實(shí)時(shí)同步采集和比對(duì)，用于驗(yàn)證利用不同影響因素影響下的誤差補(bǔ)償后的工作臺(tái)定位精度。同時(shí)可以利用精密夾具調(diào)節(jié)電感測(cè)微儀運(yùn)動(dòng)方向，減小電感測(cè)微儀與工作臺(tái)及光柵尺的運(yùn)動(dòng)方向之間的小角度誤差，進(jìn)而減小測(cè)控系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。

6 結(jié)束語

本文分析了數(shù)控XY工作臺(tái)相關(guān)性誤差實(shí)驗(yàn)裝置所用的同步觸發(fā)測(cè)控系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度、溫度實(shí)時(shí)采集、光柵尺和電感測(cè)微儀同步觸發(fā)讀數(shù)的硬件電路，編制了相應(yīng)的測(cè)控軟件。

本文搭建了實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了編碼器、PT100實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)，和應(yīng)用電感測(cè)微儀預(yù)設(shè)位移信號(hào)實(shí)時(shí)觸發(fā)采集光柵尺示值及工作臺(tái)位移值比對(duì)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了不同影響因素下的同步觸發(fā)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量誤差和測(cè)量重復(fù)性誤差實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量誤差小，重復(fù)性好，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)，用于不同影響因素下的數(shù)控XY工作臺(tái)位移量與標(biāo)準(zhǔn)量的比對(duì)，驗(yàn)證工作臺(tái)誤差補(bǔ)償效果。