0    引言
        Mahr891E齒輪測量機(jī)是我國引進(jìn)較早的齒輪測量機(jī)之一。該機(jī)是德國Mahr公司基于電子展成原理的產(chǎn)品,其良好的設(shè)計(jì)思想及制造工藝,至今仍被認(rèn)為是測量精度較高的齒輪測量儀。某單位的Mahr891E齒輪測量機(jī)經(jīng)過多年使用之后,其電子系統(tǒng)已經(jīng)老化,故障率高,影響了正常使用,故委托我們對其進(jìn)行改造。針對此設(shè)備的具體情況,我們重新開發(fā)了測量與控制系統(tǒng)的軟件并替換原測控系統(tǒng)。本文擬對新系統(tǒng)中電子手輪的倍頻鑒相電路進(jìn)行介紹。
1    4倍頻鑒相
1.1    原理
        電子手輪是數(shù)控機(jī)床、加工中心和測量中心等數(shù)控設(shè)備常用的手動(dòng)操作元件,它實(shí)際上就是一個(gè)增量式手動(dòng)編碼器,每周通常為幾十至數(shù)百細(xì)分。本系統(tǒng)采用的是一百細(xì)分的手輪,其輸出為兩路相差90o的方波。為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)等執(zhí)行元件,有時(shí)需將這兩路方波信號(hào)變換成一路方向一路脈沖,或一路正轉(zhuǎn)脈沖一路反轉(zhuǎn)脈沖的形式,同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?xì)分再送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,這就是倍頻鑒相。這里采用的是第一種形式,即一路為方向信號(hào),另一路為脈沖信號(hào)。倍頻鑒相電路可以由阻容元件結(jié)合邏輯電路來實(shí)現(xiàn),但是阻容元件會(huì)老化而逐漸改變其特性,進(jìn)而影響到電路的可靠性。因此這里使用了一種由純邏輯電路組成的4倍頻鑒相電路。
        實(shí)際上,基于這種原理還可對脈沖進(jìn)行更高次的倍頻,特別應(yīng)注意CLK信號(hào)的選擇。首先,CLK的周期應(yīng)大于所允許的最小脈寬(通常,驅(qū)動(dòng)器和計(jì)數(shù)器都有最小脈寬限制)。其次,通過分析可知,要使電路可靠工作,則CLK的頻率必須為A相或B相頻率的8倍以上。
        由于本設(shè)計(jì)中采用了Altera公司的CPLD器件,所以電路很容易實(shí)現(xiàn)。
2    方向信號(hào)的穩(wěn)定
        安裝在電機(jī)或主軸上的編碼器,其轉(zhuǎn)軸由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橥Ｖ箷r(shí)可停留在任意位置。電子手輪則不同,為了避免不操作手輪時(shí)手輪受外界震動(dòng)等因素的影響而發(fā)生蠕動(dòng),需在其一周設(shè)定有固定的停靠點(diǎn),通常為每細(xì)分一個(gè)?？奎c(diǎn),這有些類似于波段開關(guān)。本系統(tǒng)中的一百細(xì)分手輪即有一百個(gè)?？奎c(diǎn)。另外,當(dāng)操作人員操作手輪時(shí),很難實(shí)現(xiàn)由電機(jī)帶動(dòng)編碼器的連續(xù)運(yùn)動(dòng),從表面看似乎手輪被連續(xù)搖動(dòng),實(shí)則在每個(gè)?？奎c(diǎn)都有頓挫,即在每個(gè)?？奎c(diǎn)都包含有手輪向?？奎c(diǎn)式碼盤,白區(qū)為透光區(qū),輸出為高,黑區(qū)為遮擋區(qū),輸出為低,并且光源位于T區(qū)內(nèi),?？奎c(diǎn)位于S區(qū)內(nèi)。同時(shí)還規(guī)定外圈為A相,內(nèi)圈為B相。不管是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是順時(shí)針旋轉(zhuǎn),都有可能導(dǎo)致方向信號(hào)的不穩(wěn)定。例如當(dāng)手輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),在每次頓挫中,擺動(dòng)回?？奎c(diǎn)之前的暫停位置在相鄰兩個(gè)停靠點(diǎn)之間是服從平均概率分布的。當(dāng)暫停位置落在T區(qū)內(nèi)且向左方S區(qū)擺動(dòng)時(shí),原來位于左方S區(qū)右邊界的B相下降沿會(huì)變?yōu)樯仙?從而導(dǎo)致方向信號(hào)由低變高。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況也與此類似。這種情況會(huì)導(dǎo)致被手輪控制的運(yùn)動(dòng)軸正、反方向速度不一致,在極端情況下甚至?xí)惯\(yùn)動(dòng)軸僅向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)碰到以上問題時(shí),解決的方法有三種:¹給兩相信號(hào)均插入反相器;º將兩相信號(hào)互換;»在方向信號(hào)中插入延時(shí)環(huán)節(jié)以產(chǎn)生滯回環(huán)節(jié)。其中第三條措施在任何情況下均有效,而第一、第二條措施則需依據(jù)停靠點(diǎn)所處的區(qū)段采用。
3    鎖相環(huán)倍頻電路
        經(jīng)過上面的電路處理之后,脈沖信號(hào)的頻率一般仍然小于1kHz,然而,加工中心或測量中心為了達(dá)到高的加工精度或測量精度,其脈沖當(dāng)量都較小,所以在對電子手輪的信號(hào)進(jìn)行上述處理之后還需進(jìn)行高倍頻以提高效率。例如,直線軸的移動(dòng)速度v(mm/s)計(jì)的擺動(dòng),從而造成方向信號(hào)的不穩(wěn)定。
        Mahr891E的直線軸脈沖當(dāng)量為0.0001mm,假設(shè)上述電路輸出的脈沖頻率可達(dá)到500Hz,那么若想使移動(dòng)速度達(dá)到5mm/s,則還需將其進(jìn)行100倍頻,對于如此高的倍頻數(shù),鎖相環(huán)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
3.1    鎖相環(huán)技術(shù)
        鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制,能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán),簡稱PLL。鎖相環(huán)主要由相位比較器(PC)、壓控振蕩器(VCO)、低通濾波器(LPF)三部分組成。當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí),它具有“捕捉”信號(hào)的能力,VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化,如果輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化,鎖相環(huán)能捕捉到輸入信號(hào)頻率,并強(qiáng)迫VCO鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活,如果輸入信號(hào)頻率不等于VCO輸出信號(hào)頻率,而要求兩者保持一定的關(guān)系,例如比例關(guān)系或差值關(guān)系,則可以在外部加入一個(gè)運(yùn)算器,以滿足不同工作的需要。
3.2    100倍頻電路的實(shí)現(xiàn)
        本設(shè)計(jì)采用高性能CMOS集成鎖相環(huán)電路CD4046作為高倍頻電路的核心。用CD4046與除法器構(gòu)成的100倍頻電路。VCO的輸出經(jīng)由除法器進(jìn)行100分頻后,再送至相位比較器II,并進(jìn)而與Ui進(jìn)行相位比較,最后使f′out=fin,二者的相位差恒定,從而實(shí)現(xiàn)鎖相。由于f′out=fout/100=fin,可推得:fout=100fin。由此表明:盡管從局部看使用除法器完成的是分頻,但就鎖相環(huán)整體而言卻是實(shí)現(xiàn)100倍頻。其中的除法器是在EPM7128中實(shí)現(xiàn)的。
        CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器,必須外接電阻R1和電容C1作為充放電元件。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成,故它的輸出波形是對稱方波。選擇R1和C1的時(shí)候需要仔細(xì)考慮,因?yàn)镽1與C1之積決定了CD4046所能輸出脈沖的最高頻率。
        另外,為了方便設(shè)備的使用及調(diào)試,在該系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了手動(dòng)操作時(shí)工作臺(tái)移動(dòng)的高、中、低速選擇功能。該功能實(shí)際上是利用波段開關(guān)的切換,分別選擇電子手輪輸出脈沖的4倍、40倍和400倍頻來實(shí)現(xiàn)的,在此不再贅述。
4    結(jié)論
        本文設(shè)計(jì)了Mahr891E齒輪測量機(jī)新測控系統(tǒng)的電子手輪電路,利用鎖相環(huán)技術(shù)及CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電子手輪輸出脈沖的可靠倍頻及鑒相,并使其最高倍頻數(shù)達(dá)到了400,即在手動(dòng)操作時(shí)可使其直線軸移動(dòng)速度達(dá)到5mm/s,滿足了設(shè)計(jì)要求。目前Mahr891E齒輪測量機(jī)的測控系統(tǒng)改造已經(jīng)完工并通過了驗(yàn)收。使用單位對新系統(tǒng)小巧的體積、完善的功能及友好的人機(jī)界面非常滿意,對手動(dòng)操作部分也給予了較高的評價(jià)。