旋轉(zhuǎn)編碼器在數(shù)控珩磨機(jī)中的應(yīng)用

1.引 言

珩磨機(jī)的往復(fù)行程精度控制一直是制約珩磨機(jī)高速化發(fā)展的瓶頸。本文介紹一種利用旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖做CPU計(jì)數(shù)脈沖方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)珩磨機(jī)往復(fù)行程的精確控制，從而對(duì)珩磨機(jī)床品質(zhì)的提高發(fā)生質(zhì)的飛躍。

以往的珩磨機(jī)行程控制是靠機(jī)械鏈輪將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)撞塊的碰撞或滑塊的碰撞來(lái)改變珩磨機(jī)往復(fù)的換向，往復(fù)的行程是靠調(diào)整滑塊、撞塊的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它有諸多不便：

（1）由于人工操作，往復(fù)行程很難調(diào)整到理想的位置，調(diào)整起來(lái)也不方便。（2）加之滑塊碰撞有磨損、松動(dòng)之嫌，往復(fù)反向時(shí)容易引起重復(fù)定位精度偏差過(guò)大。（3）需要經(jīng)常校正撞塊的位置。（4）往復(fù)要求小行程時(shí)，無(wú)法設(shè)置。（5）由于接觸式碰撞容易損壞器件，造成維護(hù)成本過(guò)高。為此我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/數(shù)控珩磨機(jī)">數(shù)控珩磨機(jī)中采用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)做控制元件，成功地克服了上述缺點(diǎn)。

2.編碼器的選型

大家知道旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖分A相脈沖和B相脈沖，有了A、B兩相脈沖，PLC的CPU高速計(jì)數(shù)輸入端就可根據(jù)A、B兩相脈沖到來(lái)的順序，判斷旋轉(zhuǎn)編碼器是正向旋轉(zhuǎn)還是反向旋轉(zhuǎn)。若設(shè)定旋轉(zhuǎn)編碼器正向旋轉(zhuǎn)為加計(jì)數(shù)，那么反向旋轉(zhuǎn)就為減計(jì)數(shù)，由于本機(jī)床使用的是歐姆龍CJ1M可編程序控制器，它帶有一個(gè)100kHz的高數(shù)計(jì)數(shù)單元，這就對(duì)它的接收脈沖頻率要給予限制，以此為依據(jù)對(duì)編碼器選型。一般珩磨機(jī)的往復(fù)速度在3～30m/min，即最大往復(fù)速度為500mm/s，假設(shè)編碼器由帶輪直聯(lián)帶動(dòng)，編碼器帶輪直徑為60mm，編碼器帶輪周長(zhǎng)L=πD=3.14×60=188.4mm，則編碼器最高轉(zhuǎn)速為500mm/188.4mm/s=2.65r/s，若編碼器每轉(zhuǎn)輸出脈沖為10000P/R，則編碼器最高頻率為2.65?10000P/R=26.5kHz，遠(yuǎn)小于100kHz，本機(jī)床選用編碼器為OMRON E6B2-CWZ6C-2000P/R，每轉(zhuǎn)能輸出2000個(gè)A、B脈沖，而CJ1M的CPU對(duì)高速輸入端的脈沖取上升沿和下降沿的跳變信號(hào)做計(jì)數(shù)信號(hào)，這相當(dāng)于對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)有四倍頻的作用，即旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，CPU的高速計(jì)數(shù)單元按2000P/R×4=8000P/R計(jì)數(shù)，即使這樣也不會(huì)超出CPU的最高計(jì)數(shù)頻率，因此不需要另加其它高速計(jì)數(shù)單元硬件。

3.高速計(jì)數(shù)單元的設(shè)置

CJ1M型可編程序控制器的高速計(jì)數(shù)輸入端有線(xiàn)性和循環(huán)計(jì)數(shù)方式之分，本機(jī)床計(jì)數(shù)輸入端按差相線(xiàn)性計(jì)數(shù)方式設(shè)置。

4.原理

將珩磨機(jī)往復(fù)全行程上、下?lián)Q向點(diǎn)，水圈位置的坐標(biāo)數(shù)值分別以十進(jìn)制數(shù)（16進(jìn)制需轉(zhuǎn)化）放置在CJ1M數(shù)據(jù)寄存區(qū)不同的DM地址中，以這些數(shù)值為目標(biāo)值，高速計(jì)數(shù)輸入端傳送來(lái)的累加計(jì)數(shù)或累減計(jì)數(shù)值為當(dāng)前值，用當(dāng)前值與幾個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行比較，比較的結(jié)果發(fā)出中斷，控制主軸往復(fù)是向下?lián)Q向還是向上換向。（示意圖見(jiàn)附圖）

由前所述，編碼器帶輪直徑D=60mm，編碼器帶輪周長(zhǎng)L=188.4mm，編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)：2000×4倍頻=8000個(gè)，編碼器的每個(gè)脈沖代表往復(fù)移動(dòng)的距離即脈沖當(dāng)量，脈沖當(dāng)量=188.4/8000=0.02356mm/P，根據(jù)此脈沖當(dāng)量可計(jì)算出水圈零點(diǎn)位置分別到往復(fù)上換向點(diǎn)、下?lián)Q向點(diǎn)以及上極限點(diǎn)的距離（脈沖數(shù)），這些距離的數(shù)值可做為它們目標(biāo)值的坐標(biāo)，上下?lián)Q向點(diǎn)的坐標(biāo)之差即為往復(fù)行程的距離。當(dāng)主軸往復(fù)的行程確定后，改變上、下?lián)Q向點(diǎn)的坐標(biāo)值，可改變主軸往復(fù)的行程區(qū)間。這些值的設(shè)定可通過(guò)觸摸屏來(lái)直接設(shè)定。根據(jù)觸摸屏和CJ1M的通訊協(xié)議傳送到CJ1M的DM區(qū)寄存器（觸摸屏與CJ1M的通訊不再說(shuō)明）。

5.調(diào)試

水圈位置零點(diǎn)的確定：要想往復(fù)控制精確，必須找出一個(gè)珩磨開(kāi)始往復(fù)的唯一起始基準(zhǔn)點(diǎn)—水圈零點(diǎn)，才能確保精確，這就提出了一個(gè)難點(diǎn)，如何使水圈位置零點(diǎn)唯一不變。由于無(wú)觸點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)發(fā)訊是在一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，若在機(jī)床上電的一瞬間，感應(yīng)塊在水圈無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)發(fā)訊范圍內(nèi)的任一位置上，此時(shí)CPU讀取水圈零點(diǎn)的數(shù)值，其位置在空間不是一個(gè)固定點(diǎn)，上、下范圍內(nèi)最大可差十幾毫米，這就無(wú)法唯一確定水圈位置、更無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。

若機(jī)床在上電一瞬間，感應(yīng)塊不在水圈無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)發(fā)訊范圍內(nèi)，這樣有兩種情況：一種感應(yīng)塊位置在水圈開(kāi)關(guān)之上；另一種感應(yīng)塊位置在水圈開(kāi)關(guān)之下。要使CPU讀取水圈零點(diǎn)的數(shù)值，必先使感應(yīng)塊逼近水圈開(kāi)關(guān)發(fā)訊的范圍，那么，它們又有上逼近點(diǎn)和下逼近點(diǎn)，二者之間又相差十幾毫米，結(jié)果也不是唯一的。

如果把零點(diǎn)放在上極限位，雖然主軸往復(fù)向上到最高點(diǎn)上極限位置不能繼續(xù)上移，主軸向上移動(dòng)到上極限位置也只有下逼近，但每次機(jī)床上電往復(fù)前必須把主軸上移至上極限位置，從上極限位置開(kāi)始起始工作，這樣即麻煩，又影響工作效率，很不湊效，無(wú)法突破.在后來(lái)調(diào)試中，經(jīng)認(rèn)真觀察分析，總結(jié)出主軸在機(jī)床上電的一瞬間，停止位置無(wú)非有三種情況（見(jiàn)附圖）：

（1） 停在上極限和水圈開(kāi)關(guān)上方不發(fā)訊的范圍A區(qū)內(nèi)；
（2） 停在水圈開(kāi)關(guān)發(fā)訊的范圍B區(qū)內(nèi)；
（3） 停在水圈開(kāi)關(guān)下方不發(fā)訊的范圍C區(qū)內(nèi)。

第一種情況要想使主軸正常往復(fù)，感應(yīng)塊必須通過(guò)水圈開(kāi)關(guān)發(fā)訊范圍B區(qū)，第二種情況感應(yīng)塊本身就在水圈開(kāi)關(guān)發(fā)訊范圍B區(qū)，第三種情況要想使主軸正常往復(fù)，必須使主軸在往復(fù)區(qū)域內(nèi)受控。要使其受控必須建立一個(gè)唯一坐標(biāo)基準(zhǔn)水圈位置零點(diǎn)，那么往復(fù)前必先使主軸向上達(dá)到水圈開(kāi)關(guān)發(fā)訊范圍B區(qū)，這樣將第一種和第三種情況都?xì)w納為第二種情況——坐標(biāo)數(shù)值零點(diǎn)登記。從零點(diǎn)登記后到主軸進(jìn)入往復(fù)區(qū)域內(nèi)正常往復(fù)，主軸必須得到一個(gè)向下往復(fù)的指令。綜合上述三種情況，主軸進(jìn)入正常往復(fù)區(qū)域往復(fù)，必須有一個(gè)離開(kāi)水圈開(kāi)關(guān)位置向下從發(fā)訊到不發(fā)訊的一個(gè)過(guò)程，我們?nèi)∵@個(gè)發(fā)訊到失訊的下沿信號(hào)做為零點(diǎn)登記賦值信號(hào)，這個(gè)結(jié)果是唯一的。不考慮主軸是從上或從下逼近水圈開(kāi)關(guān)，只取其“向下”離開(kāi)水圈開(kāi)關(guān)失訊的那一時(shí)刻為基準(zhǔn)，因?yàn)槲覀冎劳粋€(gè)無(wú)觸點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)，在其它條件相同的情況下，發(fā)訊檢測(cè)距離從發(fā)訊到失訊是一定的，即只要開(kāi)關(guān)的位置不變，則感應(yīng)塊向下離開(kāi)水圈開(kāi)關(guān)使開(kāi)關(guān)失訊的空間位置是一定的，這就順利地解決了水圈位置零點(diǎn)是唯一的問(wèn)題，使其有一個(gè)突破。

如果把主軸在水圈位置零點(diǎn)的坐標(biāo)定為0，主軸向下旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)為正值，那么在往復(fù)區(qū)內(nèi)的計(jì)數(shù)值均為正值，而當(dāng)主軸上升到水圈開(kāi)關(guān)位置上方至上極限區(qū)域內(nèi)，計(jì)數(shù)值為負(fù)值，這給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)不便。為保證其數(shù)據(jù)均為正值，將零點(diǎn)登記時(shí)坐標(biāo)賦值設(shè)為5000，即5000×脈沖當(dāng)量=5000×0.02356=118mm。本機(jī)床水圈開(kāi)關(guān)到上極限開(kāi)關(guān)的距離小于100mm，即使主軸上升到上極限位置停止，其計(jì)數(shù)結(jié)果也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。例如水圈開(kāi)關(guān)零點(diǎn)登記賦值5000，上換向點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)6300，下?lián)Q向點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)18000，則上換向點(diǎn)距水圈開(kāi)關(guān)的距離為：（6300-5000）×0.02356=30.6mm 下?lián)Q向點(diǎn)距水圈開(kāi)關(guān)的距離為：（18000-5000）×0.02356=306mm主軸的往復(fù)行程為：（18000-6300）×0.02356=275mm，改變其上、下?lián)Q向點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)置，即可調(diào)節(jié)主軸往復(fù)行程的大小和往復(fù)區(qū)域。

6.結(jié)束語(yǔ)

使用旋轉(zhuǎn)編碼器做珩磨機(jī)往復(fù)行程的控制，控制靈活，效率提高?？梢钥朔矇K碰撞或滑塊碰撞控制珩磨機(jī)往復(fù)換向的諸多缺點(diǎn)，使用起來(lái)極其方便，往復(fù)程行區(qū)域、上下?lián)Q向位置在規(guī)定的范圍內(nèi)可以任意設(shè)定，由于采用非接觸式、無(wú)撞塊控制，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。為此，使用旋轉(zhuǎn)編碼器做珩磨機(jī)的控制元件，可以為珩磨機(jī)的高速化發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。