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              河北華利機械配件有限公司

              數控系統中表盤手輪信號處理方法

              2013/9/10 10:49:28

              摘要: 分析了表盤手輪的工作原理, 針對其在數控系統應用中表盤手輪存在的問題, 設計了一種結構嚴謹的表盤手輪鑒相電路和濾波電路,
              有效地消除了表盤手輪信號的干擾, 正確地記錄表盤手輪的脈沖信號, 并在實踐中取得了良好的效果。
              關鍵詞: 手輪,鑒相,去抖,數控系統,表盤手輪,舵盤手輪,舵輪,舵機手輪,舵機方向盤

              前言在數控系統中, 刀具微動、工件對刀、工作臺的隨動、機床原點的修正等這些功能通常是通過手輪操作來實現的, 這一功能給機床操作人員帶來了很多方便, 使得手輪在數控機床中應用十分廣泛。但手輪在微幅左右搖擺時, 容易產生抖動, 造成輸出脈沖不準, 導致機床誤動作, 輕則造成加工工件報廢, 重則危及到操作者的人身安全, 所以在機床加工過程中,精度及可靠性顯得尤其重要。筆者在實際數控系統應用中, 總結、試驗了一種結構嚴謹的表盤手輪信號處理的方法。
              1 手輪工作原理手輪又稱手搖脈沖發生器, 它實質上是一個增量式編碼器, 是一種光電式的位置控制元件。圖1 給出了手輪的工作原理圖, 在手輪轉動情況下, 光柵盤與旋轉軸同速轉動, 經過由發光元件組成的檢測裝置, 將其轉過的角度大小轉變為含有位置和方向信息的脈沖序列, 在程序控制下能驅動數控機床各軸運動。手輪每旋轉一個刻度得到具有一組相位相差90b的A、B信號, 表盤手輪信號。正轉時, A相超前B 相90b, 反轉時, B相超前A 相90b。
              2 手輪信號處理手輪輸出信號處理電路有分立元件、專用芯片、單片機、可編程邏輯器件等很多種實現方法。但對于多軸數控系統而言, 若采用分立元件來完成包括手輪信號在內的一系列編碼器信號, 則需要較多的元器件, 導致結構復雜, 功耗增加, 穩定性下降等缺點。目前常采用復雜的可編程邏輯器件CPLD來實現手輪信號鑒相與濾波的功能。表盤手輪信號給出了手輪信號處理電路結構圖, 它由鑒相、去抖電路、延時電路、16位可逆計數器、輸出緩沖器以及數據總線構成。以下針對各部分電路的功能加以敘述。
              2.11 鑒相電路原理鑒相電路的作用是獲得手輪的轉動方向, 產生計數器的計數方向信號。由手輪工作原理可知, 在每個信號周期內, A信號脈沖和B 信號脈沖相差90b。
              2.12 手輪信號鑒相、去抖電路設計為了剔除由于各種干擾因素而導致手輪輸出脈沖帶有的雜波, 保證輸出信號的可靠性和有效性, 在計數器計數之前必須進行去抖處理。一般采用兩種方法來改善濾除雜波的能力: 一是使用施密特觸發器當輸入極, 借由施密特觸發器對波形整形的能力來濾除雜波; 二是利用多級延時的方法來完成濾波功能。同樣, 鑒相也可以采用常用的方法: D觸發器和門電路來實現。這些方法實現起來比較簡單, 但抗干擾能力差?;诒肀P手輪信號以上的分析, 為了更好地實現手輪信號的鑒相與濾波的工作, 本文采用了狀態機加標志判別的方法。經過在實際工作中的反復試驗, 證明使用這種方式來實現手輪的鑒相、去抖工作, 比以往的方法效果要好。從表盤手輪信號可知: 旋轉一個刻度, 理想的情況是A、B信號組合共有4種狀態, 當正轉時, BA的狀態為:00y 01y 11y 10; 當反轉時, BA 狀態為: 00y 10y11y 01。為了敘述方便, 令S1= 00、S2= 01、S4=11、S3= 10, 表盤手輪信號給出了手輪狀態轉換圖, 表盤手輪信號的FP 和FN是作為正轉和反轉對應狀態的標志, 當完成從前一狀態到下一狀態轉變后, 相應位置1。若正轉表盤手輪信號狀態轉換圖或反轉連續完成4個狀態, 則有1 個脈沖輸出, 即Q =1, 并規定正方向旋轉時, 方向信號D= 1, 反則D = 0。下面將分項說明手輪信號狀態轉換圖, 并以采用CPLD實現為例,說明表盤手輪信號設計過程。
              當前狀態為S1時:
              ( 1) 若前一狀態為S1, 置正轉標志FP = 0001,FN= 0001, 則Q = 0;
              ( 2) 若前一狀態為S3, 且FP = 1111, 則Q = 1,D = 1, 手輪正轉一個刻度;
              ( 3) 若前一狀態為S2, 且FN = 1111, 則Q = 1,D = 0, 手輪反轉一個刻度;
              ( 4) 若前一狀態為S4, 此狀態為無效狀態, 重置FP= 0001, FN = 0001, Q = 0, 手輪有干擾信號過來, 不記數。
              當前狀態為S2時:
              ( 1) 若前一狀態為S4, 且FN= 0111, 則置FN=1111, FP清零, 手輪信號完成從S4狀態到S2狀態的轉換, 屬于一個周期的中間過程, 手輪刻度未發生變化, Q = 0;
              ( 2) 若前一狀態為S1, 且FP= 0001, 則置FP=0011, FN清零, 手輪信號完成從S1狀態到S2狀態的轉換, 結果同上;
              ( 3) 若前一狀態為S3, 此狀態為無效狀態, 重置FP= 0001, FN = 0001, Q = 0, 手輪有干擾信號過來, 不記數。
              當前狀態為S4時:
              ( 1) 若前一狀態為S3, 且FN= 0011, 則置FN=0111, FP清零, 手輪信號完成從S3狀態到S4 狀態的轉換, 屬于一個周期的中間過程, 手輪刻度未發生變化, Q = 0;
              ( 2) 若前一狀態為S2, 且FP= 0011, 則置FP=0111, FN清零, 手輪信號完成從S2狀態到S4狀態的轉換, 屬于一個周期的中間過程, 手輪刻度未發生變化, Q = 0;
              ( 3) 若前一狀態為S1, 此狀態為無效狀態, 重置FP= 0001, FN = 0001, Q = 0, 手輪有干擾信號過來, 不記數。
              當前狀態為S3時:
              ( 1) 若前一狀態為S1, 且FN= 0001, 則置FN=0011, FP清零, 手輪信號完成從S1狀態到S3 狀態的轉換, 屬于一個周期的中間過程, 手輪刻度未發生變化, Q = 0;
              ( 2) 若前一狀態為S4, 且FP = 0111, 則置FP =1111, FN清零, 手輪信號完成從S4狀態到S3狀態的轉換, 屬于一個周期的中間過程, 手輪刻度未發生變化, Q = 0;
              ( 3) 若前一狀態為S2, 此狀態為無效狀態, 重置FP= 0001, FN = 0001, Q = 0, 手輪有干擾信號過來, 不記數。
              2.13 表盤手輪信號延時電路由可逆計數器工作原理可知, 在計數之前, 要先判別方向, 在此可以用D觸發器使手輪脈沖信號比方向滯后一個時鐘周期。
              結論本文提出并實現了基于小波包分解與SVM 的金剛筆鈍化狀態的識別, 表盤手輪信號試驗結果表明:
              ( 1) 砂輪修整過程的聲發射信號對金剛筆的鈍化較為敏感, 能夠用來判別金剛筆的鈍化狀態, 以及時調整或更換金剛筆。
              ( 2) 在金剛筆鈍化識別中, 砂輪修整時聲發射信號集中在高頻部分, 應用小波包進行3層分解后提取各頻帶能量, 可以有效消除噪聲影響, 獲得反映砂輪鈍化的特征量。
              ( 3) 使用徑向基核的SVM 進行鈍化識別時, 在表盤手輪信號樣本量不大的情況下仍然獲得了良好的識別結果, 比使用BP 網絡有更高的識別率。綜上所述, 基于小波包分解與SVM 方法對于金剛筆鈍化比傳統方式有更優的效果, 該方法在機械故障診斷領域具有一定的應用前景。因此, 施釉機器人工作空間的體積為V=P360(R2m ax - R2m in ) (H1m ax - H1m in ) ( bmax - bm in )
              小結針對典型衛生陶瓷產品的施釉工藝流程及表盤手輪信號工藝要求, 確定設計施釉機器人的原則后, 得出以下結論:
              ( 1) 施釉機器人可以為5個自由度的關節型機器人;
              ( 2) 根據典型衛生陶瓷產品(即連體坐便器的各項尺寸均選相應的極限值), 表盤手輪信號可以確定施釉機器人各部位的結構尺寸;
              ( 3) 實際設計施釉機器人的結構尺寸時, 還應考慮機器人的工作裕度;
              ( 4) 施釉機器人的工作空間是由4條圓弧組成的封閉圖形面積, 再乘以沿y 軸移動的距離。
              2.14 16位可逆計數器16位可逆計數器的作用是記錄手輪正反方向的位移脈沖; 以鑒相后的方向信號作為正向、反向計數判別, 以經過濾波、延時后的純凈信號為計數脈沖。215 緩沖器輸出緩沖器的作用是防止內部信號和外部總線沖突, 保護外部總線。
              3 結束語本文在表盤手輪信號處理中引進的狀態機的概念, 有效地消除了手輪微幅左右搖擺時引起的信號抖動, 為可逆計數器提供準確的方向信號和計數脈沖, 保證數控系統獲得正確的手輪計數值。筆者已使用HDL 語言實現了該方法, 并在數控系統中使用, 手輪操作準確, 取得理想的使用效果。該方法還有很強的通用性, 可以用于其表盤手輪信號增量式編碼器和光柵尺信號的處理。

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