基于DSP的數控XY工作臺同步觸發測控系統

楊洪濤 顧嘉輝 江 磊 李 莉

(安徽理工大學機械工程學院，淮南 232001)

1 引 言

數控XY工作臺是在機測量系統的重要組成部分，其定位誤差直接影響在機測量系統的測量精度，必須建立考慮溫度、運動速度、X/Y坐標位置影響因素在內的工作臺誤差補償模型，進行有效補償，才能提高其定位精度[1,2]。為了開展有效的誤差補償驗證實驗，必須設計測控系統對XY工作臺的溫度、運動速度和光柵讀數值(X/Y坐標)進行實時同步采集，與位移標準量進行同步觸發比對[3]。近年來不少學者對機床的單個誤差影響因素，研制了相應的測量電路，如文獻[4]設計了基于PT100溫度傳感器和PCI8310數據采集卡的機床多通道溫度采集系統[4]。文獻[5]設計了基于Arduino Uno和數字溫度傳感器DS18B20的數控機床溫度測量系統[5]。文獻[6]利用PCI-9118采集卡和熱電偶對數控銑削溫度進行采集[6]。文獻[7]利用DSP實現光柵尺的鑒相和計數測量[7]。文獻[8]應用DSP對光柵尺信號進行接收和處理，來提高二維運動機構的精度[8]。文獻[9]利用可編程邏輯器PLD和單片機AT89S52實現了光柵信號的細分辨向和信號采集[9]。文獻[10]利用DSP實現了絕對式光電編碼器的電機轉速測量[10]。但以上測量系統都是單獨測量某個工作臺誤差影響因素，無法實現多影響因素同步實時采集和工作臺光柵與位移標準量同步觸發，因此本文根據數控XY工作臺相關性誤差驗證實驗要求，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，應用光柵尺測量工作臺移動位移，以高精度電感測微儀為位移標準量，設計測控系統，實現溫度、運動速度的實時采集、X/Y坐標位置(光柵尺)和位移標準量的同步觸發采樣比對，驗證XY工作臺的定位誤差補償效果。

2 數控XY工作臺相關性誤差試驗裝置結構組成與工作原理

本文設計的數控XY工作臺相關性誤差驗證實驗裝置如圖1所示，由PT100溫度傳感器、工作臺面、龍門支架、擋板、電感測微儀、帶編碼器的伺服電機、聯軸器、光柵尺、導軌、底座、滾珠絲杠、外圍電路、DSP構成，整體由光具座支撐。

XY工作臺運動由電控柜、運動控制器、伺服電機驅動器控制，通過上位機編程驅動伺服電機，帶動工作臺面實現X、Y方向的移動。為開展有效的工作臺誤差補償驗證試驗，在原工作臺基礎上集成了8路溫度采集、2路編碼器速度采集、X/Y光柵讀數值采集(X/Y坐標)和電感測微儀同步觸發的測控系統。該系統不僅能對運動工作臺的溫度、速度、坐標進行實時同步采集，而且能以電感測微儀到達預設位移量時的信號，觸發光柵尺同步計數，以電感測微儀位移量為標準量，與光柵尺移動量進行同步比對，驗證利用不同影響因素影響下的誤差補償后的工作臺定位精度。

圖1 試驗裝置結構示意圖

3 硬件電路設計

除了工作臺運動控制電路，本文設計的實驗平臺同步觸發測控硬件電路由溫度測量電路、光柵尺測量電路、編碼器測量電路和電感測微儀觸發電路組成，整個測控系統主控芯片采用TMS320F28335 DSP(以下簡稱F28335)。

3.1 測控電路

各種傳感器測控電路與F28335硬件連接圖如圖2所示，電感測微儀觸發電路通過外圍電路與F28335的ADCINA0相連，通過DSP的片內外設ADC實現觸發信號采集。8路PT100溫度傳感器通過外圍電路與F28335的ADCINB0～ADCINB7相連，因為XY工作臺溫度變化緩慢，所以共用片內外設ADC對溫度同步采集影響不大。絕對式光柵尺通過外圍電路轉化將差分信號變成單端信號，X、Y光柵各自產生兩路A、B信號分別與F28335的GPIO12、GPIO13、GPIO32、GPIO33相連，通過外部中斷的方式進行光柵信號采集。2路編碼器信號通過外圍電路與F28335的GPIO24、GPIO25相連，利用DSP的eCAP模塊實現工作臺移動速度采集。

圖2 測控系統連接圖

3.2 溫度測量電路

單通道溫度測量電路如圖3所示，通過TL431可控精密穩壓源和OP07軍用運算放大器構成恒流源，為增強抗干擾性，通過后級儀表放大器AD620對電壓信號進行放大，設定0℃時OUT端的輸出電壓為1V。另外，為避免誤操作對后級器件的損壞，設計了限壓電路，將電壓限制在3V以下，以此來保護F28335的ADC，外圍電路中的OUT分別與F28335的ADCINB0～ADCINB7相連。

圖3 單通道溫度測量電路

3.3 光柵尺測量電路

光柵尺測量硬件電路圖如圖4所示。光柵外部接口通過高速光耦HCPL0631將絕對式光柵尺的差分信號轉換成兩路單端的TTL信號，利用74LS14施密特觸發器對TTL信號進行濾波整形。為保護后級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光柵尺測量電路

3.4 電感測微儀觸發電路

電感測微儀采用基恩士GT2-P12K電感測微儀測頭和GT2-71MCN放大器，放大器自帶兩個模擬量輸出接口。當測微儀測頭移動時，可以輸出相應的(4～20)mA線性化電流，利用這一特性對電感測微儀進行改造來觸發光柵采集脈沖。本文設計的電感測微儀觸發電路如圖5所示，測微儀的兩路模擬量通過IN0和IN1輸入，經過濾波后輸入到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 電感測微儀觸發電路

3.5 編碼器電路

編碼器電路如圖6所示。伺服電機驅動器能夠輸出編碼器的差分信號(A+、A-)，通過AM26LS32將差分轉換為單端信號，利用74LS14施密特觸發器對信號進行濾波整形，為保護片內外設，采用限壓電路將信號幅值限制在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編碼器測量電路

4 軟件設計

測控系統軟件設計和數據實時顯示是通過CCS6.1.3集成開發環境實現，整個軟件由主程序和三個子程序組成，測控系統的程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4.1 主程序

主程序包括系統初始化、調用各個子程序、讀取各轉換函數值。

4.2 電感測微儀與溫度子程序

將電感測微儀4mA和20mA時位移的上下限分別設置為0mm和12mm，由此可得100Ω采樣電阻兩端的理想電壓表達式為

(1)

式中：W——測微儀示值。

由于環境因素、電子元器件本身精度等影響，實際電感測微儀的觸發算法關系模型，是利用萬用表測量電感測微儀移動時采樣電阻的輸出電壓值建立，如公式(2)所示。

(2)

當測微儀示值分別為3mm和9mm時，電壓表測得其輸出電壓分別為0.801V和1.601V。F28335的內部ADC是12位分辨率，其采樣端口的輸入電壓為3V，由此可得其轉換分辨率約為0.7326mV。通過與子程序的ADC采集量比對，判斷當電壓值大于等于0.801V(實際ADC采得值約為0.80146V)時，標志位flag置1，啟動光柵子程序采集脈沖；當ADC電壓值大于1.601V(實際采得值約為1.60146V)時，標志位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工作臺熱源溫度在四季中的變化范圍為(10～40)℃，因此將采樣標定的溫度定為(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精密可調電位器代替PT100，并結合萬用表對溫度測量電路在(0～50)℃每隔5℃進行一次數據標定，結果用MATLAB擬合，得到擬合曲線如圖8所示，電壓與溫度關系式為

T=291.1203×U-291.1037

(3)

式中：T——溫度。

將測量值與擬合曲線作殘差，得到5℃時殘差最大約為0.326℃。為提高溫度信號的穩定性，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判斷高低電平實現。光柵的差分信號通過光柵采集外圍電路得到A、B兩個單端信號，當工作臺正向運動時，A相脈沖超前B相脈沖90°，程序通過A相上升沿進入外部中斷1，B相每次為低電平就進行計數加一；反向運動時，A相脈沖滯后B相脈沖90°，程序通過B相上升沿進入外部中斷2，A相每次為低電平就進行計數減一，由此實現脈沖辨向計數。

4.4 編碼器子程序

數控機床在機測量系統的觸測速度在3mm/s以內，因此本文將XY工作臺的測量速度定為(1～3)mm/s，伺服驅動器每輸出10000脈沖使得工作臺運動5mm，編碼器轉一圈，由此可獲得編碼器的脈沖頻率為(2～6)kHz。為實時獲取工作臺的運動速度，本文采用F28335的eCAP模塊捕獲編碼器的A相脈沖信號，通過差分捕獲的方式獲取計數器的值并將其保存在相應的寄存器中，其算法為4次捕獲后進中斷求平均值。

5 試驗與數據分析

本文利用溫度傳感器、光柵尺、編碼器、電感測微儀和研制的數控XY工作臺搭建如圖9所示的實驗裝置，進行溫度、速度實時采集和工作臺移動距離同步觸發比對實驗，測量得到的工作臺在同步觸發前和觸發后的數據如圖10所示，其中speed代表速度，mm/s；dist代表觸發期間光柵移動的距離，mm；temp代表溫度，℃。進行試驗時，通過上位機1設置工作臺的運動速度為1mm/s，運動距離為11mm，電感測微儀觸發距離設置為3mm和9mm。根據圖10(a)可知，工作臺觸發前運動速度為1.007mm/s，溫度為18.358℃，光柵移動距離為0mm。根據圖10(b)可知，工作臺觸發完成時的運動速度為1.031mm/s，溫度為18.145℃，光柵移動距離為5.992mm，與電感測微儀行程相差0.008mm。

圖9 數據采集試驗裝置

圖10 試驗數據

由于工作臺的定位誤差受溫度、運動速度和坐標位置的影響，因此必須分析這些影響因素對本文設計的同步觸發測控系統的測控精度的影響。由于工作臺體積較大，不能放入現有的溫控箱中，所以暫時無法實現溫度調節功能。本文僅考慮運動速度和X向坐標位置對測控系統測控精度的影響，其中坐標位置選取距X軸距離原點處(3～9)mm和(13～19)mm兩段，運動速度選擇1mm/s、2mm/s和3mm/s，按照上面實驗步驟開展比對實驗，得到的兩個坐標位置、三種運動速度下的測控系統誤差(光柵與電感測微儀差值)如表1所示。同時在3mm～9mm坐標位置、3mm/s運動速度下開展3次重復實驗，得到的測控系統誤差如表2所示。

表1 不同影響因素下的測控系統誤差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 同一運動速度下測控系統重復性誤差Tab.2 Measuringrepeatabilityerrorinthesamemovingvelocity速度(mm/s)位置(mm)定位誤差(mm)33^90.00633^90.00633^90.006

從上述實驗結果分析可知，在不同運動速度下，不同X軸位置測控系統誤差最大不超過0.008mm。同一運動速度下，不同X軸位置測控系統誤差變化不超過0.004mm。在同一X軸位置段和同一運動速度下，測控系統誤差重復性為0mm。因此本文設計的測控系統能實現數控XY工作臺溫度、運動速度實時采集，光柵讀數值(X/Y坐標)與電感測微儀實時同步采集和比對，用于驗證利用不同影響因素影響下的誤差補償后的工作臺定位精度。同時可以利用精密夾具調節電感測微儀運動方向，減小電感測微儀與工作臺及光柵尺的運動方向之間的小角度誤差，進而減小測控系統誤差，實現更精確的測量。

6 結束語

本文分析了數控XY工作臺相關性誤差實驗裝置所用的同步觸發測控系統工作原理，設計了能夠實現工作臺運動速度、溫度實時采集、光柵尺和電感測微儀同步觸發讀數的硬件電路，編制了相應的測控軟件。

本文搭建了實際實驗裝置，進行了編碼器、PT100實時采集實驗，和應用電感測微儀預設位移信號實時觸發采集光柵尺示值及工作臺位移值比對實驗，同時進行了不同影響因素下的同步觸發測控系統測量誤差和測量重復性誤差實驗。實驗結果表明，所設計的同步觸發測控系統測量誤差小，重復性好，可以實現預設目標，用于不同影響因素下的數控XY工作臺位移量與標準量的比對，驗證工作臺誤差補償效果。