該系統(tǒng)已用于游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)和精確送料裝置中,。
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),、電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)作為裝備工業(yè)的大腦快速地被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中,。
嵌入式控制系統(tǒng)由于其體積小,、性價(jià)比高、針對(duì)性強(qiáng),、抗干擾能力好等特點(diǎn)快速不斷地進(jìn)入了數(shù)控行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。
游標(biāo)卡尺由于是一種精密地測(cè)量?jī)x器,，那么其生產(chǎn)的廠家對(duì)卡游標(biāo)尺本身的刻度打標(biāo)要求就非常高?，F(xiàn)代化生產(chǎn)中必須要考慮生產(chǎn)效率，而生產(chǎn)效率又與操作方便,、生產(chǎn)速度等因素相關(guān),。本文設(shè)計(jì)了采用PC機(jī)上位機(jī)發(fā)控制指令，下位機(jī)是ADT-MC020嵌入式數(shù)控控制器控制伺服加光柵尺的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),，滿足了以上要求,。
2 工作原理
首先在上位機(jī)（PC機(jī)，以下稱上位機(jī)）編輯好要加工的數(shù)據(jù)文件,，然后通過上位機(jī)的串口向下位機(jī)（MC020嵌入式控制器,，以下稱下位機(jī)）發(fā)送指令，下位機(jī)接收到正確的指令后,，開始向伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令,，當(dāng)伺服運(yùn)行到位后，下位機(jī)通知上位機(jī)繼續(xù)發(fā)下一個(gè)命令,，以此循環(huán),。
工作流程圖如圖1所示
3 游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1） 上位機(jī)系統(tǒng)
上位機(jī)控制系統(tǒng)是由VC開發(fā)的控制軟件，在上位機(jī)上可以按使用者的要求,，先通過一些簡(jiǎn)單的設(shè)定,，系統(tǒng)便可以生成需要的圖形。比如卡尺刻度之間的間隔,，激光打的刻度線的長(zhǎng)短,，工制還是英制或兩者都有。生成好圖形客戶可以先預(yù)覽,，看是否滿足要求,。
在選擇好循環(huán)打標(biāo)或單次打標(biāo)后，按開始按鈕后,，計(jì)算機(jī)便通過串口發(fā)出規(guī)原點(diǎn)命令,，下位機(jī)接收到回原點(diǎn)命令后，馬上執(zhí)行回原點(diǎn)的任務(wù),，當(dāng)回到原點(diǎn)后,，發(fā)信號(hào)給上位機(jī),，上位機(jī)馬上控制振鏡和激光發(fā)生器打出0刻度線（刻度線的長(zhǎng)短在上面生成的圖形中已經(jīng)規(guī)定），等打完0刻度線后,，上位機(jī)馬上發(fā)出再走一個(gè)刻度的命令,，在下位機(jī)通過一系列的調(diào)整，保證精度后,，重復(fù)上面的動(dòng)作,。
整個(gè)系統(tǒng)控制流程結(jié)構(gòu)圖如圖2所示
（2） 串口通信
① 串口通信協(xié)議
通信協(xié)議是指通信雙方共同遵守的交換數(shù)據(jù)的格式。現(xiàn)在我們制定的通信協(xié)議只需考慮信息在線路中的傳輸規(guī)則,。
本文所使用的串口通信協(xié)議如表1所示,。這樣上、下位機(jī)的相互通信就得以實(shí)現(xiàn),。
② 串口通信的程序流程圖如圖3所示
本系統(tǒng)中,，上位機(jī)在得到按鈕信號(hào)或得到下位機(jī)發(fā)回到位得信號(hào)，上位機(jī)就可以隨時(shí)發(fā)出讓下位機(jī)執(zhí)行的指令,；而上位機(jī)接收下位機(jī)指令是采用查詢的方式,，看下位機(jī)是否有給它發(fā)新信息；
下位機(jī)MC020接收和發(fā)送信息都是利用串口中斷,，當(dāng)自己接收到新信息或要向上位機(jī)發(fā)送新信息,，都將進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序。這樣利用中斷處理異步事件,，使之與上位機(jī)收,、發(fā)信息同步，而又不影響做其他工作,。
（3） 下位機(jī)系統(tǒng)
下位機(jī)是本系統(tǒng)中精度的控制者和保證者,，它關(guān)系到游標(biāo)卡尺最后打標(biāo)是否合格。
如圖2所示,，首先下位機(jī)在接收到上位機(jī)的位置命令后,，經(jīng)過校驗(yàn)和處理發(fā)給了伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服設(shè)成位置控制模式,，伺服電機(jī)本身帶有光電編碼器,，它會(huì)反饋伺服電機(jī)走的位置是否與下位機(jī)的給定值相等，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié),，這便構(gòu)成了位置環(huán)1,。但位置環(huán)1只是反應(yīng)了伺服走的位置，也就是伺服電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù),，但如果絲桿,、導(dǎo)軌等有誤差，就不能反應(yīng)出來,，即不能反應(yīng)目標(biāo)位置的最終情況,，所以位置環(huán)1只是半閉環(huán),。
加上光柵尺檢測(cè)目標(biāo)的最后位置，并把這個(gè)位置反饋給下位機(jī)MC020控制器,，MC020再與上位機(jī)的給定位置值進(jìn)行比較,，再次進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，這樣構(gòu)成了位置環(huán)2,，最終使目標(biāo)達(dá)到上位機(jī)給定的命令值的位置,，從而完成精確定位。
游標(biāo)卡尺打標(biāo)的雙環(huán)精確定位流程圖如圖4所示
4 位置誤差產(chǎn)生原因及解決方案
（1） 原點(diǎn)誤差
在運(yùn)動(dòng)控制中,，現(xiàn)在很多機(jī)器上安裝的原點(diǎn)開關(guān)一般是機(jī)械式的或光電開關(guān),，機(jī)械開關(guān)本身有一定的彈性變形范圍，而且用久了后彈片的彈性系數(shù)和機(jī)械磨損帶來的位置偏差都將發(fā)生變化,；光電感應(yīng)開關(guān)本身有一定的感應(yīng)范圍,，即左邊沿到右邊沿的范圍,；而每次電機(jī)以一定的速度回到原點(diǎn)時(shí),，在其慣性的作用下不可能剛好停在開關(guān)的感應(yīng)邊沿上。
基于以上原因,，我們可以讓電機(jī)先以一個(gè)較高的速度回到原點(diǎn)開關(guān)的感應(yīng)范圍內(nèi),，再讓電機(jī)以一個(gè)較低的速度向離開原點(diǎn)的方向走，下位機(jī)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè),，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)一離開原點(diǎn)開關(guān)馬上停止,；接著讓電機(jī)以一個(gè)很低的速度向原點(diǎn)開關(guān)的方向走，下位機(jī)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè),，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)一碰到原點(diǎn)開關(guān)馬上停下來,。
用以上方法，既可以讓電機(jī)以高速回零,，提高效率,，又保證將每次回零的誤差降到最低。而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來講,，每次打標(biāo)的起點(diǎn)都一致,。
（2） 控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器脈沖匹配產(chǎn)生的誤差
下位機(jī)控制器把位置值按脈沖的個(gè)數(shù)發(fā)給執(zhí)行單元伺服驅(qū)動(dòng)器的寄存器中，但伺服電機(jī)以不同的速度走,，走完所有的脈沖所用的時(shí)間就不同,，如果在伺服電機(jī)還沒真正停穩(wěn)的時(shí)候去讀光柵尺檢測(cè)的實(shí)際位置值，再把這個(gè)偏差發(fā)給伺服,，伺服降超過命令給定值,。
而且由于伺服沒真正的停下來，這時(shí)去檢測(cè),，可能檢測(cè)的是一個(gè)中間值,，而這個(gè)中間值有可能就在精度要求的范圍內(nèi),，進(jìn)而控制器跳出對(duì)精度的調(diào)整，但伺服電機(jī)還在走,，當(dāng)其真正停下來時(shí)位置勢(shì)必引起偏差,。
基于以上原因，基本可用兩種方法解決,。第一,，可以用伺服驅(qū)動(dòng)器上的定位完成信號(hào)輸出給下位機(jī)控制器，讓下位機(jī)控制器知道下面伺服真正走到位了,。但要注意：很多伺服驅(qū)動(dòng)器并不是等所有的脈沖都發(fā)完才輸出這個(gè)信號(hào),，而是當(dāng)達(dá)到一定脈沖數(shù)時(shí)就輸出此信號(hào)，所以必須把伺服驅(qū)動(dòng)器中此控制定位完成的脈沖數(shù)調(diào)到一個(gè)恰當(dāng)值,。第二,，就是給電機(jī)發(fā)了校正脈沖后適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)一段時(shí)間，延時(shí)后再去檢測(cè)光柵尺的實(shí)際位置,，然后再去校正,。
由于游標(biāo)卡尺打標(biāo)本身要求精度高，如果電機(jī)多走出幾個(gè)脈沖,，那它的偏差就多幾個(gè)μm,，是不允許的，所以必須控制好偏差的調(diào)節(jié),。
（3） 光柵尺的安裝即環(huán)境溫度造成的讀數(shù)誤差
本系統(tǒng)的精度就是依靠光柵尺做最后保證,，那光柵尺本身的精度就至關(guān)重要。首先光柵尺的安裝要保持光柵尺內(nèi)部的玻璃刻線條與運(yùn)行的導(dǎo)軌平行,，光柵尺的讀數(shù)滑塊連的運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)行軌道要與光柵尺內(nèi)部的玻璃刻線條保持平行,。而支撐滑臺(tái)的導(dǎo)軌和絲桿本身的質(zhì)量自然也要有保證。
令一個(gè)方面就是環(huán)境溫度對(duì)最后測(cè)量的影響,，由于溫度的變化會(huì)造成光柵尺內(nèi)部玻璃刻線條的熱脹冷縮的變化,，以致造成最后讀書偏差。所以一定的溫度,。
5 結(jié)束語(yǔ)
隨著國(guó)家制造業(yè)的不斷發(fā)展,，對(duì)國(guó)家的裝備業(yè)要求也越來越高，尤其在快速定位和精度要求較高的系統(tǒng)中,，對(duì)定位精度就提出更高的要求,。本設(shè)計(jì)方案在游標(biāo)卡尺激光打標(biāo)中獲得了成功應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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