基于软件实现的计量位移在涂布压合机构的研究与设计

郭智华 曾任仁

(1.福建林业职业技术学院,福建南平,353000;2.福建农林大学交通学院,福建福州,350002)

基于软件实现的计量位移在涂布压合机构的研究与设计

郭智华1曾任仁2

(1.福建林业职业技术学院,福建南平,353000;2.福建农林大学交通学院,福建福州,350002)

在上光机涂布压合机构控制系统中,采用增量式光电旋转编码器对蜗杆旋转的角度信息进行测量,通过软件记录电平状态并进行辨向,分析了系统实现辨向细分和角位移的关键,采用软件方法来实现对编码器的辨向、位移测量,可消除硬件电路中存在的缺陷,达到了涂布量自动反馈的效果。

旋转编码器;辨向细分;软件方式;精细涂布计量调节

在上光机涂布系统中,随着涂层厚度的增加,厚度变动系数逐渐增大,从而对涂布的均匀性、稳定性以及上光涂布表面平整性产生一定的影响。迄今为止,大部分厂家仍采用凭经验来目测涂布量并加以调整确定涂层厚度,不仅占用生产时间,又缺乏定量的科学标准,因此应该根据涂布的总进给量和上光复合机涂布压合系统实际工作条件,合理地选用涂布量自动检测反馈装置。

国内现有的回转体回转角度测量方法大多采用旋转电位器作为传感元件,旋转电位器输出的信号需经过整形、滤波和放大处理后,再经过 A/D模数转换器转换成数字量,进入计算机进行处理。上述系统结构十分复杂,可靠性差,传感器易磨损,且测量过程存在着零点漂移、测量的准确度低、系统寿命短等问题[1-3]。本课题采用增量式光电旋转编码器对蜗杆旋转的角度信息进行测量,采用软件来实现对编码器的辨向、位移测量[4],可消除硬件电路中存在的一些缺陷,从而使UVSG950环保节能型上光机更加适用于纸张印刷品、纸板等上光,使其表面光泽,色泽艳丽。

1 设计要求和总体方案

该涂布厚度检测反馈系统要完成的主要功能有:通过检测元件测量蜗杆旋转的角度,并将测量的信号经过处理发送到控制器,控制器根据接受到的信息,对信息作相应处理,并将最终的值送到显示器显示,完成对涂布辊和压合辊间隙的显示,以便操作人员及时了解当前涂布厚度。在该系统中,选用蜗杆蜗轮的回转运动进行间接位移非接触测量,其测量精度更高,信号采集易解决。

2 编码器的工作原理及其选择

光电旋转编码器是一种高精度的角位移传感器。光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成。光电旋转编码器能将角度信息变成脉冲信号进行有线传输,利用光栅衍射原理实现位移-数字变换。放大成可驱动器件运动的脉冲信号,就能实现远距离角度信息传输和采集[5]。

2.1 光电编码器的信号采集检测

对于光电编码器的信号采集、检测及正、反向判别等一般都是由硬件电路来完成的。但是采用硬件电路时往往会产生抖动现象,在速度较快的情况下,脉冲的波形直接影响可逆计数器的计数。鉴于硬件电路存在的一些不足,本课题采用软件来实现对编码器的辨向、位移测量,可消除硬件电路中存在的一些缺陷。

2.2 辨向细分电路及其工作原理

编码器通过软件记录电平状态并进行辨向,从而弥补硬件电路的较难解决的抖动等问题的不足;另外,通过在软件中设置参数值,解决了光电编码器速度较快、脉冲变形的问题。辨向细分电路对旋转编码器的输出信号进行解码,得到主轴的旋转方向和角度。

其具体的思路是通过简单的电平采样口对旋转编码器输出的A、B两相信号进行采样,将计脉冲方法改为计A、B两相电平变化的方法,这样每一周期计得 A、B相电平变化各 2次,即达 4倍细分。如图1所示。

图1 方法原理示意图

单片机对 A、B相电平分别采样 2次,采样点X1,X2,即A1=1,B1=1,A2=0,B2=1,由采样值可知,A相电平发生变化而 B相电平未发生变化,且 A1=B2,说明 A相超前 B相,为正向;同理,根据采样值得知,B相电平发生变化而A相电平未发生变化,且 B1=A2,则为反向。这样实现了辨向[6]。

3 实现编码器位移测量的软件模块

上述分主程序和定时中断程序,主程序主要是位移计算、输出显示和串行通讯;定时中断处理程序是实现辨向细分和角位移的关键。下面对实现编码器位移测量的软件模块进行介绍。

3.1 位移方向的判断

切换速度的决定应取决于采样周期与信号周期的关系,采用采样 10次,而读 A相脉冲值不变作为快慢速的临界速度。若采样 10次,A相计数值不变即为慢速标志而进入辨向细分。

3.2 位移脉冲的计算方法

在本设计中选取计数器对位移脉冲计数都是增计数方式,对实际位移是以变向时的计数值为基准值进行计算[7]的,即:

式中: △Ri——计数值增量;

Ri——当前计数器值;

Ri-1——前次变向时计数器值;

Ni——当前变向时脉冲累计值;

Ni-1——前次变向时脉冲累计值;

i——变向次数。

取 i=0,1,2,3……,则由检测原理知:N0=0,R0=0。

可见,只要能保存前次变向时计数值 Ri-1及前次变向时脉冲累计值 Ni-1,再根据当前计数值 Ri,就可计算实际位移对应的当前脉冲累计值 Ni,进而得到位移值。

3.3 细分方法

本设计中采用计数 A相的脉冲,再进行细分修正的方法。如图2所示,设基准点为 X0(即位移起始点或变向点),检测点在 X1,并设对 A相的计数是下沿有效,则若 X0和 X1检测过程中累计计数值为N,那么实际的位移值为:

式中:△M——细分修正值;

S——周期位移。

图2 细分修正原理图

已知,脉冲分辨率 2000 p/r,蜗杆转动 360°时,计量辊筒移动位移即对于编码器,每发出一个脉冲,进给位移为 0.067/2000=0.0000335 mm,则周期位移 S=0.0000335 mm。

如图2所示,从 X0(A0B0=11)到 X1(A1B1=00),虽然计数值是 N,但实际位移要到 X1′(A1′B1′=11)才达到 N个完整的周期。因此△M=-2,上式就是细分方法。

4 结 论

UVSG950环保节能型上光机在上光机涂布压合机构控制系统中,采用增量式光电旋转编码器对蜗杆旋转的角度信息进行测量,通过软件记录电平状态并进行辨向,分析了系统实现辨向细分和角位移的关键。采用软件方法来实现对编码器的辨向、位移测量。可消除硬件电路中产生的抖动现象,达到了涂布量自动反馈的效果。该项目于 2008年 5月 10日通过了福建省科技厅组织的省级鉴定,专家们一致认为该上光机涂布压合系统技术水平属国内领先。

[1] 翠 华.用旋转电位器驱动半导体音量控制器[J].电子设计应用,2003(4):91.

[2] ADSP-21160 SHARC DSP Hardware Reference[S].1998.

[3] 朱伯申,张 炬.数字式传感器[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[4] 张永松,朱家诚.基于软件实现的普通编码器计量位移的方法[J].合肥工业大学学报,2008(1):140.

[5] 黄勤山,张天真.GD70-72光电编码器的改进[J].传感器技术,1993(3):37.

[6] 张九才.增量式编码器抗抖性研究[J].自动化仪表,2005(10):38.

[7] 金建新.增量式光电脉冲编码器的单片机计数器[J].元器件与应用,1999(20):27.

The Research and Design on the Key Technologies in the Agency of Coated Paper and Pressure in GlazingMachine of D istanceM easurement with the Encoder Based on SoftwareM ethods

GUO Zhi-hua1ZENG Ren-ren2
(1.Fujian Forestry Vocational&Technical College,Nanping,Fujian Province,353000;
2.Traffic College,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou,Fujian Province,350002)

UVSG950,the energy-saving polishing machine,using Incremental Optical Rotary Encoder to measure the rotary angle of the worm and the distance measurement based on software methods is presented.The synthetic status of the encoder is used to judge the direction,eliminate the jitter and handle the errors,thus eliminate hardware defects and,the system can make the thinkness of coated paper uniform automatic feedback.

Rotary Encoder;quadrature decode/emicel;sof tware methods;the elaborate measure in regulative device of coated paper

TS803

B

0254-508X(2010)10-0050-03

郭智华先生,副教授;主要研究方向:图像处理、信号控制及工业设计。

(＊E-mail:bpy612@163.com)

2010-06-13(修改稿)

福建省科技厅重点资助项目 (编号 2005H004):UVSG950环保节能型上光机的研制。

(责任编辑:赵旸宇)