绝对式光栅尺振动干扰的测试

蔺春波，杨 帆，吴宏圣

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

0 引言

绝对式光栅尺是一种绝对式线位移光电编码器，能通过串行通讯协议以数字形式向外提供位置信息。绝对式光栅尺在工业控制和测量领域受到广泛应用。在机床加工过程中，电磁干扰，电机振动，加工振动等会在一定程度上影响绝对式光栅尺的测量精度，是输出的位置信息与实际位置有一定偏差。为了研究自主研发的绝对式光栅尺抗干扰程度，与国外海德汉LC183 型号的绝对式光栅尺进行了比较测试，通过分析两者在相同环境下，静止状态时位置的波动偏差，即可以得到自主研发的绝对式光栅尺的抗干扰能力。

1 数据采集系统

绝对式光栅尺采用固定的通讯协议以数字形式向外提供位置信息，JC09 绝对式光栅尺采用BiSS 协议[1]，LC183 绝对式光栅尺采用EnDat 协议[2]。如图1，2 所示，分别为EnDat 协议和BiSS 协议位置信息读取时序图。BiSSC 协议[3，4]和EnDat 协议均采用RS-485 电平标准[5，6]，均采用两对差分线路来完成通讯时序，BiSS-C 协议采用两对传输方向单一的差分线路，EnDat 协议采用一对单向差分线路和一对传输方向可变的差分线路。根据两支绝对式光栅尺采用的协议规范，两者均在接收到后续电子设备（Master）的下降沿后，开始计算接收到下降沿时刻的位置信息，虽然通过不同的通信协议进行了数据的传输，但保证了每一次的通讯均是对两支光栅尺在同一时刻点的采集。

图1 BiSS-C 协议位置信息获取时序Fig.1 Timing sequence of acquiring position of BiSS-C protocol

图2 EnDat 协议位置信息获取时序Fig.2 Timing sequence of acquiring position of EnDAT protocol

在振动平台上，沿着与绝对式光栅尺平行和垂直两个方向上，进行了振动试验。振动平台在测试过程中，采用最高3g 的加速度，最高55Hz 的振动频率下完成对绝对式光栅尺的振动驱动。

系统采用FPGA 芯片XC6SLX16-FTG256 作为主控芯片[7，8]，MAX3485 作为差分信号驱动芯片，FT245 作为USB接口芯片。上位机通过FT245 完成于FPGA 的命令和数据通讯，FPGA 通过MAX3485 执行编码器串行通讯协议。为了保证能够更准确的在两支绝对式光栅尺之间产生对比，FPGA 通过严格控制EnDat 协议和BiSS 协议Master 模块的启动脉冲，时间延迟在ns 数量级，两支尺子的采集同步误差为nm 数量级；LC183 获取一次位置信息的通讯时间为800μs 左右，JC09 获取一次位置信息的通讯时间为33μs 左右，故选择1ms 作为采样时间间隔。

图3 为数据采集系统流程图。上位机通过发送命令启动数据采集，FPGA 利用乒乓操作把数据分别存入到RAM_A 或RAM_B 中，，每次连续读取1000 次，采集完成后后把2000 个位置信息通过USB 接口上传到上位机，传输完成后，进行下一次采集；直到FPGA 接收到上位机发送的停止指令。

图3 数据采集系统流程图Fig.3 Flow chart of data acquirsition system

2 实验结果分析

整个振动实验过程为20min，共获取有效数据150组，每组内包含连续采样1000 个点的LC183 和JC09 位置信息，该位置信息分别通过EnDat 协议和BiSS 协议获取。以每1000 个连续采样数据为研究对象，分别求取1000 个点的最大偏移量，并以最大偏移量所在时刻前后共50 个点的平均周期和平均频率作为最大偏移点处的位置波动周期和频率。

2.1 平行振动

在平行振动试验中，JC09 出现了两个偏差最值点，频率分别在297.9Hz 和244.9Hz；LC183 出现了两个偏差最值点，频率分别在291.7Hz 和244.9Hz。在平行振动实验中，两个峰值点出现在同一个时间片段内。如图4所示，分别为平行振动环境下JC09 与LC183 绝对式光栅尺在最大偏移点处位置波动曲线。

表1 平行振动最大偏移Tab.1Maxposition-shiftinparallelvibration

图4 平行振动最大偏移波动曲线Fig.4 Curve of Max position-shift in parallel vibration

2.2 垂直振动

在垂直振动实验中，JC09 出现了一个偏差最值点，频率在145.8Hz 附近；LC183 出现了一个偏差最值点，频率在148.9Hz；在垂直振动实验中，两值尺子的最大偏差的频率相差很近，最然没有完全重合，但最值区域基本在145～150Hz 之间。如图5 所示，分别为垂直振动环境下JC09 与LC183 绝对式光栅尺在最大偏移点处位置波动曲线。

表2 垂直振动最大偏移Tab.2Maxposition-shiftinverticalvibration

图5 垂直振动最大偏移波动曲线Fig.5 Curve of Max position-shift in vertical vibration

3 结论

本文通过设计基于FPGA 的数据采集系统，完成了在振动实验平台上，对JC09 与LC183 绝对式光栅尺的位置采集。通过比对两支光栅尺在相同振动环境下，位置波动曲线的分析，得出JC09 与LC183 绝对式光栅尺对振动干扰的响应基本一致，位置最大波动的振幅在同一个数量等级上，鉴于LC183 绝对式光栅尺能够很好的应用与数控机床加工环境中，JC09 在相同抗振动干扰的能力下，应该也能很好的适应数控机床加工环境，保证振动条件下的位置测量数据有效。

[1]iC-Haus. BiSS C（unidirectional）Protocol Description（English）[EB/OL].（2009-06-00）[2015-04-20]. http://www.biss-interface.com/files/BiSS-C_unidirectional_a2es.pdf.

[2]HEIDENHAIN. EnDat 2.2-位置编码器双向数字接口[EB/OL].（2014-03-00）[2015-04-20]. http://www.heidenhain.com.cn/zh_CN/php/服务和文档/样本/popup/media/media/file/view/file-0221/file.pdf.

[3]高长清，林辉，张辉.BiSS 接口的光电编码器数据读出研究[J].计算机测量与控制，2009，5.

[4]商怀昊，韩基鹏，肖鹏，等.基于BiSS-C 协议的编码器的接口技术研究及其在伺服驱动系统中的应用[J].工业技术创新，2014，2.

[5]陈琳，钟文，潘海鸿，等.EnDat2.2 通讯协议接口的设计[J].四川兵工学报，2015，3.

[6]孙大海，艾华.基于FPGA 双路EnDat2.2 编码器的接口设计[J].液晶与显示，2014，5.

[7]王选择，曾志祥，范宜艳，等.基于FPGA 与USB2.0 的温度数据采集与控制[J].仪表技术与传感器，2014，9.

[8]肖博，李剑锋，陈洪芳.多通道绝对式光电编码器数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2013，1.

[9]唐一科，蒋刘义，陈国聪.机床振动测试分析系统开发[J].重庆科技学院学报，2011，4.

[10]翟杨.基于小波分析的超精密加工机床振动分析研究[D].长春：长春理工大学，2010.