1、2009年 第10期儀表技術(shù)與傳感器Instrum ent Techn i que and Sensor 2009 No 110 收稿日期:2008-10-28 收修改稿日期:2009-06-28光電編碼器脈沖檢測電路設(shè)計馬有良,任 同(西南科技大學制造科學與工程學院,四川綿陽 621010摘要:螺紋加工是數(shù)控車床重要的加工功能,要保證螺紋的加工精度,必須準確的獲取主軸角位置信號。為此設(shè)計了螺紋脈沖檢測電路,其中整形電路采用S N75115雙重微分接受器去除共模干擾,鑒相及同步控制用74LS74D 觸發(fā)器組成,也解決了低速大螺距加工問題。該電路經(jīng)實際應(yīng)用驗證是可靠的。關(guān)鍵詞:光電編碼器;螺紋;

2、脈沖計數(shù);電路設(shè)計中圖分類號:TP212 文獻標識碼:A 文章編號:1002-1841(200910-0076-02Desi gn ofM easure C ircu it for O u tput Pu lse i n O pto 2electr ic En coderMA You 2li ang ,REN Tong(C o llege ofM anufac tur ing S cien ce and Engineer ing ,Sou thwest Un iver sity of Science and T echnology ,M ianyang 621010,C h i na Abst

3、r a ct :The f unc tio n of the screw t h read process i n NC lat he is i m portant .To make sure the prec isi on of the screw t hread process ,obtain t he si gnal of angle place on pr i ncipa l axis exactl y i s necessa ry .So this paper desi gned the e lectrocircu it of the m eas 2ure si gna,l puls

4、e shap i ng circu itwas ab l e to filter out i nterference w it h SN75115dua l d ifferen tiator ,phase de m o dulator and synchro 2n i zer circu it is co m posed of D F li pF lop .Si m ultaneity the pro b l em of the l o w speed m ach i ni ng for coarse p itch was solved .The prac 2ti ca l appli cat

5、io n of the circu it is re liab le .K ey word s :opto 2e l ec tric encode r ;screw thread ;pulse coun ting ;desig n of c ircuits 0 引言在位置控制系統(tǒng)中,為了提高控制精度,準確測量控制對象的位置是十分重要的。測量控制對象的直線位移變化可采用光電編碼器作為位移檢測傳感器。數(shù)控車床螺紋加工是依據(jù)檢測到的主軸旋轉(zhuǎn)信號,控制步進電動機的進給,實現(xiàn)車螺紋所要求的比例關(guān)系,切削出符合要求的螺紋。在光電編碼器檢測電路設(shè)計時,應(yīng)解決3個問題:計數(shù)和判向電路設(shè)計;同步控制電路;抗干擾

6、電路。為解決這3個問題,提出檢測電路設(shè)計思想,并結(jié)合實際出現(xiàn)的問題,提出具體改進方法。1 數(shù)控車床螺紋加工原理在數(shù)控車床中,一般采用光電編碼器為主軸脈沖發(fā)生器,與主軸同步旋轉(zhuǎn),采集的主軸位置信號經(jīng)微機數(shù)控系統(tǒng)處理后驅(qū)動機床工作臺運動。主軸脈沖發(fā)生器送出2組信號脈沖,一組為計數(shù)脈沖,每轉(zhuǎn)送出2048個脈沖,另一組為同步脈沖,每轉(zhuǎn)送出一個脈沖。車削螺紋時,數(shù)控系統(tǒng)檢測到SC 同步信號到來時開始切削,否則處于等待狀態(tài)。這樣就保證每次切削的初始位置在被加工工件圓周的某一定點位置上,防止了多次切削亂扣現(xiàn)象發(fā)生1。在螺紋加工狀態(tài)下,微機系統(tǒng)在接到同步脈沖信號后,開始讀取計數(shù)脈沖,均勻地在這串脈沖中取出F

7、個脈沖值,使之滿足數(shù)控程序中規(guī)定的F 值,以它作為中斷信號來控制插補速度,使伺服驅(qū)動在Z 方向進給F 值,達到主軸每轉(zhuǎn)一周,刀架在Z 方向上移動一個螺距的目的2。在數(shù)控系統(tǒng)中,完成螺紋加工的要素為:主軸轉(zhuǎn)速n 和螺紋導(dǎo)程t ,進給速度F =nt .在加工螺紋時,有資料推薦的主軸轉(zhuǎn)速n (1200/t -K r /m i n .K 是保險系數(shù),一般取80。同步脈沖極為重要,它是保證在螺紋加工中不產(chǎn)生亂扣的唯一控制信號。2 脈沖信號檢測2.1 進給脈沖信號檢測當控制對象位置發(fā)生變化時,光電編碼器便會輸出S A 、SB 2路相位相差90b 的數(shù)字脈沖信號。當編碼器正轉(zhuǎn)時SA 超前SB 為90b ,反

8、轉(zhuǎn)時SB 超前S A 為90b ,脈沖的個數(shù)與位移變化量成比例關(guān)系。因此,通過對脈沖個數(shù)計數(shù)就能計算出相應(yīng)的位移3。圖1是系統(tǒng)脈沖檢測計數(shù)電路設(shè)計原理框圖。圖1 基本脈沖計數(shù)原理框圖S A 、SB 2路脈沖通過整形、鑒相得到計數(shù)脈沖,再根據(jù)SC 、SD 同步控制,送往CTC 。2.2 同步脈沖信號檢測在螺紋加工中,正確的檢測出同步脈沖信號SC 極為重要,螺紋加工一般須經(jīng)過多次反復(fù)切削才能完成,為了保證加工精度,數(shù)控系統(tǒng)必須控制螺紋刀每次切削的起始位置和切削相位,保證每次切削都在螺紋的同一切削點進行。起始位置一般由脈沖計數(shù)電路及相應(yīng)軟件來保證其復(fù)位精度,切削相位則由同步脈沖信號SC 決定。第10

9、期馬有良等:光電編碼器脈沖檢測電路設(shè)計77 系統(tǒng)計數(shù)一般用中斷方式,設(shè)計當計算機系統(tǒng)發(fā)出螺紋啟動信號SD 高電平后,如果門控電路檢測到SC ,利用SC 的上跳沿,打開控制門,CTC 開始接受脈沖信號,CTC 開始計數(shù)。在螺紋加工每刀完成并返回時系統(tǒng)發(fā)出螺紋啟動信號低電平,關(guān)斷控制門,CTC 停止接受脈沖信號。螺紋啟動后保證在起始位置檢測到SC 信號后,發(fā)出中斷請求并計數(shù),機床開始加工螺紋。3 基本脈沖計數(shù)電路設(shè)計根據(jù)原理框圖,設(shè)計如圖2所示的基本脈沖計數(shù)電路。 圖2 基本脈沖計數(shù)電路圖3為基本的整形脈沖輸出,S A 和SB 信號整形后得到的是倍頻脈沖。 圖3 整形脈沖由于數(shù)控車床工作在電磁環(huán)境

10、惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場,加工時還會產(chǎn)生機械振動,這些電磁干擾和機械振動使一般光電編碼器計數(shù)判向電路的A 、B 2相輸出信號可能會疊加若干個高頻方波干擾脈沖,這些干擾脈沖進入計數(shù)器,將引起計數(shù)錯誤,使伺服驅(qū)動系統(tǒng)不能正常運行,影響了螺紋加工的精度4。 為此,在計數(shù)和判向電路設(shè)計時,利用電路對信號的延遲和門電路的邏輯運算能力來消除干擾脈沖5。圖2中SB 采用積分式單穩(wěn)電路,高電平時上升沿控制,SB 由低變高時緩沖打開1CP ,脈沖波形如圖4所示。改變電路中R C 參數(shù),可改變1CP 脈沖寬度。如果S A 、SB 使用74LS86異或門整形,既可以實現(xiàn)倍頻,又可以取消鑒相電路。 然后用1Q 控制4#00門打

11、開,使倍頻脈沖還原為原頻率脈沖,消除干擾,輸出如圖5所示。SC 相產(chǎn)生的脈沖作為基準脈沖,又稱零點脈沖。編碼器旋轉(zhuǎn)1圈,在固定位置SC 相產(chǎn)生1個脈沖。如圖6所示,同步脈沖SC 處于下降沿時,當有螺紋啟動SD 信號,2Q 高電平打開2#圖5 鑒相脈沖輸出74LS08門,計數(shù)脈沖送往CTC 計數(shù)。圖6 螺紋啟動控制4 常見問題及電路改進設(shè)計4.1 低速大螺距加工問題正常情況下,螺紋加工一次返回過程中螺紋啟動SD 信號為低電平,一個同步脈沖可以使2Q 低電平,實現(xiàn)關(guān)閉2#08門。但實際螺紋加工,經(jīng)常遇到低速大螺距加工情況,根據(jù)(主軸轉(zhuǎn)速N +80螺距t =1200,假如加工螺距12mm 以上,主軸

12、轉(zhuǎn)速大約1020r /m i n ,螺紋返回時刀架運行速度4000mm /m i n 以上,對于一個300mm 長度以內(nèi)的螺紋,由于主軸轉(zhuǎn)速太慢,加工一次螺紋返回后主軸還沒有轉(zhuǎn)過一圈,而此時重復(fù)加工則再次發(fā)出螺紋啟動信號SC ,出現(xiàn)起刀點不對,加工螺紋亂扣現(xiàn)象。現(xiàn)改讓螺紋啟動信號變低時,使74LS74觸發(fā)器復(fù)位。如圖7所示,既當檢測到SC 同步脈沖下降沿時,發(fā)出2Q 脈沖,而螺紋加工返回時,使2Q 脈沖變低電平,實現(xiàn)關(guān)閉2#08門。改動后脈沖計數(shù)電路如圖8所示。4.2 抗干擾處理電路改進設(shè)計采用SN75115雙重微分接收器,該電路首先有計劃的從現(xiàn)場很寬的公共噪音中識別到小的微分信號,將(下轉(zhuǎn)第

13、80頁80Instru m ent Techn i que and SensorOct 12009213 提高F IR 低通濾波器的速度 用M ega128運行所設(shè)計的F I R 低通濾波器程序,若采用一般算法,需4735個時鐘周期。由于所設(shè)計的F IR 低通濾波器的系數(shù)具有對稱性,若將各對稱系數(shù)所對應(yīng)的序列相加后再做卷積,可節(jié)省約一半的運算量,僅需2560個時鐘周期。如果選擇12MH z 的晶振,一般算法所需時間約為395L s ,這種對折算法所需時間約為197L s .2.4 濾波效果在M atl ab 中用設(shè)計的濾波器對仿真數(shù)據(jù)進行濾波,效果如圖6所示。圖6(a為根據(jù)濾波前的仿真數(shù)據(jù)描繪

14、出來的曲線,圖6(b為根據(jù)濾波后的仿真數(shù)據(jù)描繪出來的曲線。可以看出,干擾的影響被有效地濾除了。3 結(jié)束語所設(shè)計的甲烷氣體探測器,采用基于紅外檢測原理的傳感器,克服了催化燃燒式傳感器的諸多缺點,具有性能穩(wěn)定、測量準確、測量范圍寬等特點。針對50H z 的工頻干擾,設(shè)計了高抑制比的F I R 低通濾波器。通過對采樣數(shù)據(jù)進行限幅濾波、中值濾波和F I R 低通濾波,可有效地提高抗隨機干擾和周期性干擾的能力。故該探測器可克服傳統(tǒng)探測器的精度低、抗干擾能力差與易產(chǎn)生漏報和誤報等缺點。參考文獻:1 潘坤保.C G W 智能甲烷傳感器的特性與應(yīng)用.南昌大學學報,工科版,1997,19(4:58-61.2 李

15、冠群.KG9701型智能低濃瓦斯傳感器的分析.煤炭技術(shù),2004,32(11:37-39.3 程勇,張玉峰.一種新型高可靠性甲烷傳感器設(shè)計.工業(yè)儀表與自動化裝置,2006(4:69-71.4 李小偉,張開如,房靖.基于ARM 嵌入式處理器的便攜式瓦斯檢測儀的設(shè)計.煤礦機械,2006,27(5:749-752.5 劉正全,肖興明,陳旭忠,等.基于AVR 單片機的瓦斯?jié)舛葯z測儀的設(shè)計.礦山機械,2007,35(10:146-148.6 陳世海,張申,牛光東,等.基于MSP430的紅外瓦斯檢測儀設(shè)計.煤礦機電,2006(4:12-14.7 程佩青.數(shù)字信號處理教程.2版.北京:清華大學出版社,200

16、1:334-388.8 陳亞勇.M atlab 信號處理詳解.北京:人民郵電出版社,2001:256-257.作者簡介:荊宜青(1984,碩士研究生,主要從事單片機應(yīng)用研究與軟件開發(fā)。E 2m ai:l ji ngyiqi ngzzu 126.co m(上接第77頁一路脈沖信號分成互為相反的2路信號,從A 、B 輸入后分別與215V 的電壓做差動比較,去除共模干擾,輸出TTL 兼容信號。輸入信號為高電平時,輸出信號為低電平。再經(jīng)過鑒相和同步控制,輸出信號到CTC 計數(shù)。利用電路對信號的延遲和門電路的邏輯運算能力來消除干擾脈沖的方法,電路中存在一個RC 時間常數(shù)的調(diào)節(jié)問題,如果參數(shù)選配不當,可能

17、影響判向。改進后設(shè)計的實用電路如圖9所示,可以有效解決上述問題。 圖9 光電編碼器螺紋檢測實用電路5 結(jié)束語(1螺紋加工是數(shù)控車床必須具備的加工功能,光電編碼器是數(shù)控車床最常用的檢測裝置之一,要保證螺紋的加工精度,就必須準確獲取主軸角位置信號。(2在數(shù)控車床螺紋加工實踐中,遇到了低速車削較大螺距螺紋問題,用此實用電路,螺距取任何數(shù)值都不會產(chǎn)生亂扣現(xiàn)象。(3脈沖記數(shù)電路經(jīng)改進后,采用S N75115雙重微分接受器,可以有效地扼制因機床振動或外部電磁干擾引起的計數(shù)誤差,且電路簡單可靠。(4在G WK 數(shù)控系統(tǒng)中,采用此光電編碼器螺紋檢測實用電路,實踐證明,該電路工作可靠。參考文獻:1 徐創(chuàng)文.數(shù)控車床螺紋加工方法.閥門,2002(3:25-27