旋转编码器在数控珩磨机中的应用

1.引 言

    珩磨机的往复行程精度控制一直是制约珩磨机高速化发展的瓶颈。本文介绍一种利用旋转编码器发出的脉冲做CPU计数脉冲方法来实现对珩磨机往复行程的精确控制，从而对珩磨机床品质的提高发生质的飞跃。

    以往的珩磨机行程控制是靠机械链轮将直线运动转化为旋转撞块的碰撞或滑块的碰撞来改变珩磨机往复的换向，往复的行程是靠调整滑块、撞块的位置来实现的，它有诸多不便：

    （1）由于人工操作，往复行程很难调整到理想的位置，调整起来也不方便。（2）加之滑块碰撞有磨损、松动之嫌，往复反向时容易引起重复定位精度偏差过大。（3）需要经常校正撞块的位置。（4）往复要求小行程时，无法设置。（5）由于接触式碰撞容易损坏器件，造成维护成本过高。为此我们在数控珩磨机中采用旋转编码器来做控制元件，成功地克服了上述缺点。

2.编码器的选型

    大家知道旋转编码器发出的脉冲分A相脉冲和B相脉冲，有了A、B两相脉冲，PLC的CPU高速计数输入端就可根据A、B两相脉冲到来的顺序，判断旋转编码器是正向旋转还是反向旋转。若设定旋转编码器正向旋转为加计数，那么反向旋转就为减计数，由于本机床使用的是欧姆龙CJ1M可编程序控制器，它带有一个100kHz的高数计数单元，这就对它的接收脉冲频率要给予限制，以此为依据对编码器选型。一般珩磨机的往复速度在3～30m/min，即最大往复速度为500mm/s，假设编码器由带轮直联带动，编码器带轮直径为60mm，编码器带轮周长L=πD=3.14×60=188.4mm，则编码器最高转速为500mm/188.4mm/s=2.65r/s，若编码器每转输出脉冲为10000P/R，则编码器最高频率为2.65ı10000P/R=26.5kHz，远小于100kHz，本机床选用编码器为OMRON E6B2-CWZ6C-2000P/R，每转能输出2000个A、B脉冲，而CJ1M的CPU对高速输入端的脉冲取上升沿和下降沿的跳变信号做计数信号，这相当于对旋转编码器发出的脉冲信号有四倍频的作用，即旋转编码器旋转一转，CPU的高速计数单元按2000P/R×4=8000P/R计数，即使这样也不会超出CPU的最高计数频率，因此不需要另加其它高速计数单元硬件。

3.高速计数单元的设置

    CJ1M型可编程序控制器的高速计数输入端有线性和循环计数方式之分，本机床计数输入端按差相线性计数方式设置。

4.原理

    将珩磨机往复全行程上、下换向点，水圈位置的坐标数值分别以十进制数（16进制需转化）放置在CJ1M数据寄存区不同的DM地址中，以这些数值为目标值，高速计数输入端传送来的累加计数或累减计数值为当前值，用当前值与几个目标值进行比较，比较的结果发出中断，控制主轴往复是向下换向还是向上换向。（示意图见附图）

    由前所述，编码器带轮直径D=60mm，编码器带轮周长L=188.4mm，编码器每转一圈发出的脉冲数：2000×4倍频=8000个，编码器的每个脉冲代表往复移动的距离即脉冲当量，脉冲当量=188.4/8000=0.02356mm/P，根据此脉冲当量可计算出水圈零点位置分别到往复上换向点、下换向点以及上极限点的距离（脉冲数），这些距离的数值可做为它们目标值的坐标，上下换向点的坐标之差即为往复行程的距离。当主轴往复的行程确定后，改变上、下换向点的坐标值，可改变主轴往复的行程区间。这些值的设定可通过触摸屏来直接设定。根据触摸屏和CJ1M的通讯协议传送到CJ1M的DM区寄存器（触摸屏与CJ1M的通讯不再说明）。

5.调试

    水圈位置零点的确定：要想往复控制精确，必须找出一个珩磨开始往复的唯一起始基准点—水圈零点，才能确保精确，这就提出了一个难点，如何使水圈位置零点唯一不变。由于无触点接近开关的感应发讯是在一个区域范围内，若在机床上电的一瞬间，感应块在水圈无触点开关发讯范围内的任一位置上，此时CPU读取水圈零点的数值，其位置在空间不是一个固定点，上、下范围内最大可差十几毫米，这就无法唯一确定水圈位置、更无法实现准确控制。

    若机床在上电一瞬间，感应块不在水圈无触点开关发讯范围内，这样有两种情况：一种感应块位置在水圈开关之上；另一种感应块位置在水圈开关之下。要使CPU读取水圈零点的数值，必先使感应块逼近水圈开关发讯的范围，那么，它们又有上逼近点和下逼近点，二者之间又相差十几毫米，结果也不是唯一的。

    如果把零点放在上极限位，虽然主轴往复向上到最高点上极限位置不能继续上移，主轴向上移动到上极限位置也只有下逼近，但每次机床上电往复前必须把主轴上移至上极限位置，从上极限位置开始起始工作，这样即麻烦，又影响工作效率，很不凑效，无法突破.在后来调试中，经认真观察分析，总结出主轴在机床上电的一瞬间，停止位置无非有三种情况（见附图）：

（1） 停在上极限和水圈开关上方不发讯的范围A区内；
（2） 停在水圈开关发讯的范围B区内；
（3） 停在水圈开关下方不发讯的范围C区内。

    第一种情况要想使主轴正常往复，感应块必须通过水圈开关发讯范围B区，第二种情况感应块本身就在水圈开关发讯范围B区，第三种情况要想使主轴正常往复，必须使主轴在往复区域内受控。要使其受控必须建立一个唯一坐标基准水圈位置零点，那么往复前必先使主轴向上达到水圈开关发讯范围B区，这样将第一种和第三种情况都归纳为第二种情况——坐标数值零点登记。从零点登记后到主轴进入往复区域内正常往复，主轴必须得到一个向下往复的指令。综合上述三种情况，主轴进入正常往复区域往复，必须有一个离开水圈开关位置向下从发讯到不发讯的一个过程，我们取这个发讯到失讯的下沿信号做为零点登记赋值信号，这个结果是唯一的。不考虑主轴是从上或从下逼近水圈开关，只取其“向下”离开水圈开关失讯的那一时刻为基准，因为我们知道同一个无触点接近开关，在其它条件相同的情况下，发讯检测距离从发讯到失讯是一定的，即只要开关的位置不变，则感应块向下离开水圈开关使开关失讯的空间位置是一定的，这就顺利地解决了水圈位置零点是唯一的问题，使其有一个突破。

    如果把主轴在水圈位置零点的坐标定为0，主轴向下旋转编码器计数为正值，那么在往复区内的计数值均为正值，而当主轴上升到水圈开关位置上方至上极限区域内，计数值为负值，这给数据处理带来不便。为保证其数据均为正值，将零点登记时坐标赋值设为5000，即5000×脉冲当量=5000×0.02356=118mm。本机床水圈开关到上极限开关的距离小于100mm，即使主轴上升到上极限位置停止，其计数结果也不会出现负值。例如水圈开关零点登记赋值5000，上换向点坐标设6300，下换向点坐标设18000，则上换向点距水圈开关的距离为：（6300-5000）×0.02356=30.6mm 下换向点距水圈开关的距离为：（18000-5000）×0.02356=306mm主轴的往复行程为：（18000-6300）×0.02356=275mm，改变其上、下换向点的坐标设置，即可调节主轴往复行程的大小和往复区域。

6.结束语

    使用旋转编码器做珩磨机往复行程的控制，控制灵活，效率提高。可以克服撞块碰撞或滑块碰撞控制珩磨机往复换向的诸多缺点，使用起来极其方便，往复程行区域、上下换向位置在规定的范围内可以任意设定，由于采用非接触式、无撞块控制，可实现免维护。为此，使用旋转编码器做珩磨机的控制元件，可以为珩磨机的高速化发展奠定一定的基础。