絕對(duì)式光柵尺振動(dòng)干擾的測(cè)試

藺春波，楊 帆，吳宏圣

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引言

絕對(duì)式光柵尺是一種絕對(duì)式線位移光電編碼器，能通過(guò)串行通訊協(xié)議以數(shù)字形式向外提供位置信息。絕對(duì)式光柵尺在工業(yè)控制和測(cè)量領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。在機(jī)床加工過(guò)程中，電磁干擾，電機(jī)振動(dòng)，加工振動(dòng)等會(huì)在一定程度上影響絕對(duì)式光柵尺的測(cè)量精度，是輸出的位置信息與實(shí)際位置有一定偏差。為了研究自主研發(fā)的絕對(duì)式光柵尺抗干擾程度，與國(guó)外海德漢LC183 型號(hào)的絕對(duì)式光柵尺進(jìn)行了比較測(cè)試，通過(guò)分析兩者在相同環(huán)境下，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)位置的波動(dòng)偏差，即可以得到自主研發(fā)的絕對(duì)式光柵尺的抗干擾能力。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

絕對(duì)式光柵尺采用固定的通訊協(xié)議以數(shù)字形式向外提供位置信息，JC09 絕對(duì)式光柵尺采用BiSS 協(xié)議[1]，LC183 絕對(duì)式光柵尺采用EnDat 協(xié)議[2]。如圖1，2 所示，分別為EnDat 協(xié)議和BiSS 協(xié)議位置信息讀取時(shí)序圖。BiSSC 協(xié)議[3，4]和EnDat 協(xié)議均采用RS-485 電平標(biāo)準(zhǔn)[5，6]，均采用兩對(duì)差分線路來(lái)完成通訊時(shí)序，BiSS-C 協(xié)議采用兩對(duì)傳輸方向單一的差分線路，EnDat 協(xié)議采用一對(duì)單向差分線路和一對(duì)傳輸方向可變的差分線路。根據(jù)兩支絕對(duì)式光柵尺采用的協(xié)議規(guī)范，兩者均在接收到后續(xù)電子設(shè)備（Master）的下降沿后，開(kāi)始計(jì)算接收到下降沿時(shí)刻的位置信息，雖然通過(guò)不同的通信協(xié)議進(jìn)行了數(shù)據(jù)的傳輸，但保證了每一次的通訊均是對(duì)兩支光柵尺在同一時(shí)刻點(diǎn)的采集。

圖1 BiSS-C 協(xié)議位置信息獲取時(shí)序Fig.1 Timing sequence of acquiring position of BiSS-C protocol

圖2 EnDat 協(xié)議位置信息獲取時(shí)序Fig.2 Timing sequence of acquiring position of EnDAT protocol

在振動(dòng)平臺(tái)上，沿著與絕對(duì)式光柵尺平行和垂直兩個(gè)方向上，進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)平臺(tái)在測(cè)試過(guò)程中，采用最高3g 的加速度，最高55Hz 的振動(dòng)頻率下完成對(duì)絕對(duì)式光柵尺的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)采用FPGA 芯片XC6SLX16-FTG256 作為主控芯片[7，8]，MAX3485 作為差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片，F(xiàn)T245 作為USB接口芯片。上位機(jī)通過(guò)FT245 完成于FPGA 的命令和數(shù)據(jù)通訊，F(xiàn)PGA 通過(guò)MAX3485 執(zhí)行編碼器串行通訊協(xié)議。為了保證能夠更準(zhǔn)確的在兩支絕對(duì)式光柵尺之間產(chǎn)生對(duì)比，F(xiàn)PGA 通過(guò)嚴(yán)格控制EnDat 協(xié)議和BiSS 協(xié)議Master 模塊的啟動(dòng)脈沖，時(shí)間延遲在ns 數(shù)量級(jí)，兩支尺子的采集同步誤差為nm 數(shù)量級(jí)；LC183 獲取一次位置信息的通訊時(shí)間為800μs 左右，JC09 獲取一次位置信息的通訊時(shí)間為33μs 左右，故選擇1ms 作為采樣時(shí)間間隔。

圖3 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖。上位機(jī)通過(guò)發(fā)送命令啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，F(xiàn)PGA 利用乒乓操作把數(shù)據(jù)分別存入到RAM_A 或RAM_B 中，，每次連續(xù)讀取1000 次，采集完成后后把2000 個(gè)位置信息通過(guò)USB 接口上傳到上位機(jī)，傳輸完成后，進(jìn)行下一次采集；直到FPGA 接收到上位機(jī)發(fā)送的停止指令。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of data acquirsition system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程為20min，共獲取有效數(shù)據(jù)150組，每組內(nèi)包含連續(xù)采樣1000 個(gè)點(diǎn)的LC183 和JC09 位置信息，該位置信息分別通過(guò)EnDat 協(xié)議和BiSS 協(xié)議獲取。以每1000 個(gè)連續(xù)采樣數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，分別求取1000 個(gè)點(diǎn)的最大偏移量，并以最大偏移量所在時(shí)刻前后共50 個(gè)點(diǎn)的平均周期和平均頻率作為最大偏移點(diǎn)處的位置波動(dòng)周期和頻率。

2.1 平行振動(dòng)

在平行振動(dòng)試驗(yàn)中，JC09 出現(xiàn)了兩個(gè)偏差最值點(diǎn)，頻率分別在297.9Hz 和244.9Hz；LC183 出現(xiàn)了兩個(gè)偏差最值點(diǎn)，頻率分別在291.7Hz 和244.9Hz。在平行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)峰值點(diǎn)出現(xiàn)在同一個(gè)時(shí)間片段內(nèi)。如圖4所示，分別為平行振動(dòng)環(huán)境下JC09 與LC183 絕對(duì)式光柵尺在最大偏移點(diǎn)處位置波動(dòng)曲線。

表1 平行振動(dòng)最大偏移Tab.1Maxposition-shiftinparallelvibration

圖4 平行振動(dòng)最大偏移波動(dòng)曲線Fig.4 Curve of Max position-shift in parallel vibration

2.2 垂直振動(dòng)

在垂直振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，JC09 出現(xiàn)了一個(gè)偏差最值點(diǎn)，頻率在145.8Hz 附近；LC183 出現(xiàn)了一個(gè)偏差最值點(diǎn)，頻率在148.9Hz；在垂直振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，兩值尺子的最大偏差的頻率相差很近，最然沒(méi)有完全重合，但最值區(qū)域基本在145～150Hz 之間。如圖5 所示，分別為垂直振動(dòng)環(huán)境下JC09 與LC183 絕對(duì)式光柵尺在最大偏移點(diǎn)處位置波動(dòng)曲線。

表2 垂直振動(dòng)最大偏移Tab.2Maxposition-shiftinverticalvibration

圖5 垂直振動(dòng)最大偏移波動(dòng)曲線Fig.5 Curve of Max position-shift in vertical vibration

3 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)基于FPGA 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)JC09 與LC183 絕對(duì)式光柵尺的位置采集。通過(guò)比對(duì)兩支光柵尺在相同振動(dòng)環(huán)境下，位置波動(dòng)曲線的分析，得出JC09 與LC183 絕對(duì)式光柵尺對(duì)振動(dòng)干擾的響應(yīng)基本一致，位置最大波動(dòng)的振幅在同一個(gè)數(shù)量等級(jí)上，鑒于LC183 絕對(duì)式光柵尺能夠很好的應(yīng)用與數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境中，JC09 在相同抗振動(dòng)干擾的能力下，應(yīng)該也能很好的適應(yīng)數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境，保證振動(dòng)條件下的位置測(cè)量數(shù)據(jù)有效。

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