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力标准机码盘的定位检测研究

编辑:金沙官网        发布日期:2018-07-02        点击量:548

分析了EE1-100型力标准机砝码加载机构的工作原理和砝码挂起后间距偏差对定位检测的影响;提出了用光电编码测距方式方法取代原固定位置检测的方式方法;设计了测量电路以及一种符合EE1-100型力标准机工作特点的倍频鉴相电路并给出了逻辑分析结果;设计了置数计数定位电路,使系统装调简化,工作可靠。

力标准机码盘的定位检测研究

EE1-100型1000KN杠杆式力标准机是上世纪70年代设计的一种大型精密力学计量设备,其控制和检测系统机械触点多,故障率高,可靠性差,维护修理困难,许多设备由于测量与控制系统故障而处于瘫痪状态,而其机械部分尚完好,因此,许多单位对其测控系统进行过改造[1~2]。文献[2]提出了一种以光电编码原理取代原限位开关的定位方式方法,减少了测控系统的元器件和信号线数量,提高了系统的可靠性。但每组码盘位置以4位并行方式检测,测量部分仍显复杂,且占用I/O端口较多,一旦硬件设计好,无法调整砝码间距偏差带来的影响。本文在借鉴光栅信号输出模式的基础上,用双编码器来检测码盘位置,通过检测码盘的位移量和运动方向来控制加载和卸载量,电路简单可靠,测量脉冲当量小。

砝码加载原理

EE1-100型杠杆式力标准机砝码加载是通过调整码盘高度以改变挂载砝码个数来实现的。砝码加载原理如图1所示。

设砝码个数为n,挂起后砝码间距为Δhi(i=1,2,…,n-1)。计量器具是指能用以直接或间接测出被测对象量值的装置、仪器仪表、量具和用于统一量值的标准物质。数字仪器检测指示秤、模拟指示秤、非自行指示秤等衡器。挂起砝码与未挂起砝码之间的间距以及空载与加载时第一个砝码相对位移为12Δh,在确保安全加载的情况下,取

当加载砝码个数为k时,码盘下移距离L可用下式表示:

设每个砝码重量为G,杠杆所加的实际载荷为N=kG=g(k),这样,通过测量码盘下降或上升的距离可测出加载或卸载的量值。

砝码加载量检测

在文献[2]中,提出用二进制格雷码来检测码盘的位置,10个砝码共用4位二进制格雷码,码值的变化和码盘理论加载位置一一对应。假设挂起后各砝码间距均为Δh,码盘位移L和砝码个数k之间的关系为L=Δhk。

但在工程实际中,由于安装偏差的存在,挂起后各砝码间距不尽相等。设实际间距和理论间距偏差为Δi,实际间距表达式为

Δhi=Δh-Δi(i=1,2,…,n-1)

(3)

由于各砝码之间为串联关系,Δi累积,最终偏差为

当时,实际加载值大于理论加载值;当时,实际加载值小于理论加载值。计量器具配备率是指已有器具和所需要器具的比例。这两种情况必然引起测量错误。

为了解决可能出现的过载或欠载,可以通过测量码盘实际位移L而非其理论位置来确定加载值。L的测量可通过光电编码的方式方法来实现。编码的实现和

A、B光电编码器的输出信号如图2所示。

对图2c所示的信号进行鉴相和四倍频处理,通过检测

A、B相位关系可以判断码盘的移动方向,检测输出脉冲个数可以求出码盘位移量。设

A、B信号占空比为50%,相差绝对值为90°,编码板透光区和遮光区长度为12Δl,由于信号经过四倍频处理,脉冲当量为

脉冲数和光电开关相对编码板位移的关系式如下:

S=Δsm=f(m)(m为所计脉冲个数)

(5)

在实际应用中,当砝码间距Δhi(i=1,2,…,n-1)不完全相等时,设脉冲当量在允许分辨率内,可通过每段Δhi所对应的脉冲数来精确确定码盘位置,一次测量出各Δhi值,并完成标定。在实际测量过程中,根据标定值控制码盘位移,无需再耗时耗力调整砝码间距,大大增加了测控系统的可靠性和适应性。

测控电路设计

在测控系统中,光电编码器将光电传感器相对编码板的几何位移量转换成相应的脉冲或数字量,并送给计算机,从而实现自动检测与控制。一般所用光电编码器体积小,重量轻,应用方便,且能与计算机匹配构成闭环检测与控制系统。在实际使用过程中,为了提高反馈信息的精度以及获取转动的方向等信息,通常要对光电编码器的输出脉冲进行鉴相倍频处理[3],这样可以用一般精度的光电编码器加上鉴相倍频电路替代高精度复杂的光电编码器,大大简化测控电路,并具有显著的经济效益。光电传感器相对编码板的运动方向可以通过鉴相电路来检测。

本系统的测控电路主要包括鉴相倍频电路和计数电路。鉴相倍频电路主要用来实现细分输出脉冲、辨别运动方向和两端极限位置判别;计数电路主要根据PC机设置的初值进行减计数,计数为零时,给出码盘运动到位信号。

相差脉冲倍频鉴相的方法很多,可以通过逻辑和触发器实现[4~7],可以通过专用处理芯片C5194和PDC9301[8]实现,也可以通过可编程器件实现[9~11]。文献[12]提出了一种锁相倍频细分理论,但不适合本文所描述的实际情况。本文根据现系统的实际情况设计了一种简单可靠的倍频鉴相电路,电路逻辑如图3所示。

CLK为时钟脉冲,

A、B为光电传感器输出信号,D为方向信号,P为倍频输出信号。本电路采用四倍频输出。四倍频脉冲由两个异或门和两个D触发器来产生。

A、B信号经第一级异或门后产生二倍频信号t1,第一级D触发器输出信号为t2,第二级D触发器输出信号为t3。设时钟信号的周期为T,由于触发器和脉冲的时序关系,t2滞后t1半个时钟周期,t3滞后t2一个时钟周期,这样t2和t3经过第二级异或门后便产生了脉宽为T的四倍频脉冲,四倍频脉冲产生时序如图4所示。鉴相信号由一个非门和一个D触发器组成。A为触发器数据输入端,B经反向处理后作为触发脉冲,当B超前于A时,D为高电平;当A超前于B时,D为低电平,A、B和D、P的关系如图5所示。本文的四倍频鉴相电路由一片EPM7032来实现,采用逻辑图设计方法。

计数电路采用两片74LS191(四位二进制可逆异步计数器)组成8位二进制可逆异步计数器。系统电路如图6所示。

其中1M时钟脉冲由晶体产生,无需另行设计时钟发生电路,T1、T2分别为A相和B相对应的光电传感器,END信号为码盘到位信号,D为码盘运动方向信号,SET为置数使能信号,CE为计数使能信号,计数器接成减计数模式,D[0~7]为置数数值输入端。在工作时,根据式

(5)的关系,将加载载荷计算相应的脉冲数值置入到计数器中。码盘工作时电路作减计数,当进位端有脉冲时表明计数完成,码盘运动到相应的位置,电机停止。控制和置数功能由PC机来操作控制控制。

在测量开始时,如果上一次是非正常关机,码盘可能不在初始位置,需要首先回到初始位置。通过在编码板两端设置特殊标记来判断码盘的两个极限位置,从而实现自动归位。

结束语

本文所设计的倍频鉴相电路结构简单,用一片EPM7032来实现,在实际应用中工作可靠,性价比好。码盘位置检测电路简单实用,灵活性好,可以通过标定有效解决砝码间距偏差带来的加载不确定性,使系统的装调大大简化。

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