基于虚拟仪器技术的三轴运动实时测量系统设计

　　前言

　　三坐标滑台是运动控制系统常见的控制对象,三坐标滑台的运动轨迹和速度的实时测量是运动平台及其控制系统性能评价的关键。

　　美国国家仪器(NI)公司研发的LabVIEW是虚拟仪器应用程序开发平台,它集成度高,有大量的标准函数模块供用户选用,用于测试系统的开发十分方便快捷,可大大缩短开发周期[1]。在三轴运动实时测试系统的研发过程中,作者采用了虚拟仪器技术,对三坐标滑台的运动轨迹和速度等参数进行了准确的测量。

　　1　三轴运动实时测量系统的配置

　　三轴运动实时测量系统要实现的功能包括滑块的位移、速度等参数的测量,测量数据存盘和回放,以及滑块运动轨迹和速度实时三维显示等。滑台行程不小于450mm,要求分辨率为±5μm。

　　三轴运动实时测量系统的照片如图1所示,它主要由测量用计算机、光栅尺、数据采集卡以及自行开发的四倍频与辨向电路板和测量系统应用程序组成。

　　在三坐标滑台上装配了3个西班牙Fagor公司生产的MKVT-47-C型光栅尺,其最大量程为470mm,分辨率为±20μm。数据采集卡采用NI公司生产的PCI-6023E。测量系统应用程序采用LabVIEW 8·2进行设计,程序的主界面如图2所示,系统可实时显示滑台的位移、速度及三维运动轨迹。

　　2　三轴运动实时测量系统设计

　　2·1　测量方案

　　三轴运动实时测量系统将光栅尺输出的A、B两路脉冲信号,经四倍频与辨向电路细分和辨向后,送入PCI-6023E卡的计数器进行计数。数据采集卡的时钟周期可由用户设定,该时钟中断引起系统读取数据采集卡计数器中的值,由此形成坐标轴位移序列,实时地将时间序列换算成3个滑块所在位置的X、Y、Z坐标值,并显示在三维轨迹控件上。而相应的速度值采用M/T法[2]计算出,并显示在相应的数值控件上。最后把所有的数据保存到磁盘文件中。系统的关键是接口电路设计、数据处理与三维显示技术。

　　2·2　关键技术分析

　　2·2·1　四倍频电路设计

　　三轴运动实时测量系统所使用的光栅尺分辨率只有±20μm,为提高测量的精度,可采用对光栅栅距细分的方法。目前,对光栅尺进行细分的方法有很多种,它们各有各的特点[3]。作者采用两片74LS123组成的四倍频电路的方法将分辨率提高了4倍,达到±5μm。电路图如图3所示。

　　74LS123是一种含有两个带清除端的可重触发单稳态触发器,两个触发器可以独立工作,触发方式既可以接成上升沿触发,也可以接成下降沿触发。作者利用74LS123的可重触发这一特点来设计四倍频电路。电路中的电阻R1、R2、R3和R4的阻值为1kΩ,电容C1、C2、C3和C4的值为1 000pF。来自光栅尺的两路输出信号UA和UB经过74LS123和74LS32或门电路组合后,得到的输出信号即为四倍频脉冲信号。最后,将四倍脉冲信号连接至PCI-6023E数据采集卡的脉冲计数输入端。