基于直线电机和光栅测量系统的精确定位平台设计

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苏州大学学报 （工科版）
第:期
图!
四倍频细分电路的波形
图 ! 是本测量系统采用的四倍频细分电路及波形。上面已讲到利用二个光敏三极管 "#、 "$ 可以辩向， 如进一步将二个光敏三极管输出信号整形反相， 可得到 ! 个相位差为 %&、 它们分 ’%&、 ()%&、 *+%&的方波信号， 别经 ,- 微分电路， 得到 ! 个尖脉冲信号。当指示光栅正向移动时， ! 个微分信号分别和有关的方波高电平 当指示光栅反向移动 相遇， 在 .-( 的输出端得到四个加法计数脉冲， .-* 保持低电平。如图 / 所示。反之， 时， 可以在 .-* 的输出端得到四个减法计数脉冲。 如此当光栅线纹密度达到 (%% 线 0 11， 且再加上 ! 倍频， 其最小分辨率可以达到 2 *3/ 1。 !
参考文献(3条) 1.陈黎敏;高飞 数控系统 1995 2.李清新 伺服系统与机床电气控制 2002 3.IEE of Japan Linear Drive for Industry Application 1998
参考文献
［=］ >?? @A ’(&(B C DEB*(F GFE/* A@F >B.#$1FH I&&JE"(1E@B ［K］ C L@MH@： >?? @A ’(&(B， =NNO C ［2］ 李清新 C 伺服系统与机床电气控制 ［K］ 机械工业出版社， C 北京： 2::2 C ［<］ 陈黎敏， 高 飞 C 数控系统 ［K］ 电子工业出版社， C 北京： =NNP C
<2$.+/,.： LU* V@FMEBX &FEB"E&J*$ @A 1U* V(/* JEB*(F -@1@F (B. 1U* U@J@XF(&UE" XF(EBX (F* EB1F@.#"*. EB 1UE$ &(&*F C LU* $H$1- "@-&@$*. @A 1U* JEB*(F -@1@F (B. 1U* U@J@XF(&UE" XF(1EBX U($ %**B #$*. 1@ E-&F@/* 1U* &F*"E$E@B @A -("UEB*FH @FE*BY 1(1E@B EB$1*(. @A $*F/* -@1@F (B. F@JJ*F $"F*VC 万方数据 ： =#> 4(+3$ V(/* JEB*(F -@1@F$； UJ@JXF(&UE" XF(1EBX$； &@$1E1E@BEBX (""#F("H； V@FM1(%J*
基于直线电机和光栅测量系统的精确定位平台设计
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 王志伟 江苏信息职业技术学院,江苏,无锡,214061 苏州大学学报（工科版） JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY ENGINEERING SCIENCE EDITION 2004,24(6) 9次
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!))" . )6 . )6 " 收稿日期： 万方数据 作者简介： 王志伟 （*/6" . ） ， 男， 讲师， 主要研究方向为单片机及机床伺服控制系统。
第 !2 卷
王志伟： 基于直线电机和光栅测量系统的精确定位平台设计
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光栅有两种： 透射光栅和反射光栅。 透射光栅的材料为玻璃， 易碎， 在机床上不 宜使用。反射光栅的材料为不锈钢片， 并 在不锈钢片表面均匀地刻上 "## 对 $ %% 透 光镂空和不透光条纹， 其线膨胀系数和机 床材料基本一致， 故选用反射光栅。 !"# 长度测量
第 !" 卷第 # 期 !))" 年 *! 月 文章编号： （!))"） *))) . */// )# . ))01 . )"
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将指示光栅安装于机床导轨机构， 标 尺光栅固定于机架， 二者之间保持 # & #’ ( 同时二者的 图 ! 光栅测量原理图 # &#)%% 的间隙以避免摩擦； 光栅纹线之间有一个小夹角， 当光线透过 光栅时， 指示光栅上就会产生莫尔条纹。当指示光栅相对于标尺光栅作水平移动时， 莫尔条纹作垂直移动。 莫尔条纹具有平均误差和放大使用， 而且光栅栅线和莫尔条纹之间具有数量和方向上的对应关系。利用光 电传感器得到与明暗条纹相对应的周期性电压信号， 再经放大、 变换整形即可得到计数脉冲。由于脉冲数是 表示指示光栅所移动的条纹数， 故只要知道光栅栅距即可得出光栅所多动的实际距离。即： （ 。 （其中 ! 为栅距即每毫米内光栅的条纹数， * +! $ !,-. * 为莫尔条纹宽度， / 为光栅放 "$ !） !!$"+ / ! 大倍数） ， 从上式可得， 光栅移动了 0 条刻线， 则莫尔条纹也移动了 0 条条纹， 将莫尔条纹产生的电脉冲信号 计数， 即可知道光栅移动的实际距离。 !"! 位移的辩向
!
电磁式直流直线电机
电磁式直线直流电动机运行效率高， 和闭环控制
系统结合在一起， 可精密地控制位移， 调速范围广， 调 速的平滑性好。本系统着重考虑定位精度， 故选用电 磁式直线直流型电机。 !"# 直线电磁式直流型电机的工作原理 直线直流型电机原理如图 / 所示， 通电在线圈内 产生均匀磁场 4， 移动线圈产生电磁力力 5， 大小为： 5 。 （其中 为线圈匝数， 为每匝导体在 7. 6 4.8. 64 8 . # " 磁场中的平均有效长度， 4 " 为线圈所在空间的磁感应 。当线圈的电磁力 5 大于线圈支 强度， .# 为导体电流） 架上的静摩擦力 9， 线圈产生直线运动。 !"$ 电磁式直流直线电机的结构和安装 如图 : 为电磁式直流直线电机的结构。其中电枢绕组为环绕在铁心上的单层线圈。在线圈外表面的某 一个侧面去掉铜线上的漆膜， 形成整流。电刷安装在动极上随动极运动， 同时保证电流方向在运动过程中始 终不变。电枢的等效电路如图 + 所示， 等效支路数 # 6 ; 越多， 等效电阻越小， 相同电压下电机容量越大。其 电磁力和电磁力平衡方程式如下： 万方数据 ［ （= >" ?］ 4 A B B #0 ! ?） $" 5 6 #
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图/
直线直流型电机工作原理图
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第 2W 卷
王志伟： 基于直线电机和光栅测量系统的精确定位平台设计
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其中 !"#为线圈填充系数， !$ 为框架填充系数， %$&为线圈轴向长度， ’( 为电流密度 )* + )* , )- + )$ , -./ 0 .1 、 电流密度 ’(， 因此改变上述三量， 可起到对电机的线性控制作用。 的体积、 磁通密度 3 ! （2） 其中 )$ 为电机运动时的总阻力， 电磁力正比于线圈 - 为动子总质量， / 为动子线速度由上面两式可知，
图4
电磁式直流直线电机结构
图5
电枢等效电路
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该系统的工作台在 6 7 8 面的导向轴、 驱动轴， 采用空气轴承联接， 形成了无形接触， 降低了摩擦， 提高 了定位精度， 其精度可达 9 2 -。 "
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其他部分
直线电机和光栅的精度大致决定了整个系统的定位精度， 其精度可达到 9 2 完全能满足高精度加工 -， " 的要求。而对于其他相关的电路包括单片机、 功率驱动、 光电隔离、 信号整形等由于都有一些通用性很强、 应 用范围广的集成电路可选用。 虽然， 直线电机的出现已经有了上百年的历史， 但直到近 2: ; <: 年才被广泛用于工业生产， 在计算机、 自动化仪表、 精密直线位移的机械手等方面大有取代依靠旋转电机来产生直线运动之势。而本课题所涉及 到的利用直线电机和光栅测量系统构成的精确定位平台， 将取代传统的滚珠丝杠传动机构， 在机床加工领域 很有发展前途。
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基于直线电机和光栅测量系统的精确定位平台设计
王志伟
（江苏信息职业技术学院， 江苏 无锡 !*")#*）
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摘
要： 阐述了如何利用直线电机的工作原理和光栅精密测量的特性， 以代替传统的伺服电机和滚
珠丝杠传动机构， 从而进一步提高机床加工的定位精度。 关键词： 直线电机； 光栅； 定位精度； 工作台 中图分类号： 23*!! 文献标识码： 4
直线电机具有进给速度高、 加速特性好、 运动惯量小、 系统刚度高等优点， 光栅是闭环伺服系统中的测量 装置， 用作位移和转角的测量， 和传统数控机床中用的感应同步器、 磁尺等测量机构相比， 光栅具有检测范围 并可利用倍频的方式， 进一步提高测量精度。 大， 测量精度高， 一般可达几个 ! 5， 本文利用光栅测量和直线电机驱动的闭环伺服系统替代传统的机床滚珠丝杠传动机构， 采用直线电机 驱动， 实现进给系统的 “零传动” 。利用光栅尺反馈， 全闭环控制， 定位精度高、 稳定性好， 广泛应用于车、 铣、 刨等数控机床的总体设计和改造。
随着莫尔条纹的垂直 如果将莫尔条纹宽度用 1 表示的话， 则 !$ 2 在位置处分别安装二个光栅管 34， 35， 移动， 在光敏三极管中感应出和光线亮度相应的电流， 波形呈眶弦波状。光线暗时， 电流小； 光线亮时电流 大。由于两个光敏管所处的位置关系， 其电流在相位上相差 6#7。 利用光敏三极管可以检测出指示光栅和标尺光栅的 相对位置， 图 ’ 为两光敏三极管 34， 35 所检测出来的电流 及放大后电压波形。 图 ’ 中， 9: 是比较器放 84 是光敏管 34 的检测电流， 大后得到的对应开关电压。 85 是光敏管 35 的检测电流。 （ 4） 中 当指示光栅向左称动、 莫尔条纹向上移动形成图 ’ 的电流电压波形。当指示光栅向右移动时， 形成了图 ’ （ 5） 中的电流电压波形。 从电流电压 波 形 图 可 分 析 出 电 平 逻 辑 的 变 化。因 此， 单片机根据电平逻辑的变化情况， 判别出指示光栅移 动的方向， 确定工作台的运动方向， 光栅左移为工作台进 给， 光栅右移为工作台退位。 图 ’ 电流和电压波形 另外， 提高光栅的线纹密度， 则测量精度提高， 但制 造成本亦提高。 !"$ 倍频细分 约分技术可在不增加光栅刻线数的情况下， 提高光敏三极管的分辨能力。由上面的分析可知， 两光栅相 对移动一个栅距， 莫尔条纹移动一个宽度 *， 光敏三极管的输出变化一个电周期 ! ， 若将该电信号直接计数 # 的话， 则光敏三极管的分辨率只有一个栅距的大小。为了能够分辨比一个栅距更小的位移量， 采用了 2 倍频 细分电路， 该电路能在一个栅距内， 等间隔地分出 2 个计数脉冲， 即使得计数脉冲的频率提高了 2 倍， 现栅距 为 #;#"%%， 细分后光敏三极管能分辨 #;##!<%% 的位移， 即工作台的位移精度提高到了$极。若想达到更高 万方数据 的精度， 还可用更高倍频来提高精度。
4
驱动系统总体设计
图*
驱动系统图
如图 * 所示， 本系统中包含了光栅测量系统、 电磁式直流直线电机、 单片机系统和其他相关的转换和驱 动电路， 以下对主要单元作简要介绍。
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光栅测量系统
本光栅测量系统的结构是： 光栅传感器为两个光敏三极管， 其输出是与光栅莫尔条纹对应的、 相位不同
的近正弦波状的电信号， 再经差动放大、 整型、 纫分、 方向辩别等电路， 最终送到可逆计数器进行计数。该系 统对工作平台位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的， 并以单片机为核心 ： 构成信号处理与闭环控制。光栅测量原理 （如图 ! 所示）