机械设备定位精度保障之可靠回零架构的探讨

1、引言

我公司在对客户使用控制卡的技术支持过程中，常遇到客户对系统回零精度的困惑，通常是由于对回零硬件器件和结构的理解偏差，导致软件设计的问题，进而造成系统回零的不稳定，从而影响机械系统的定位精度。

从国内外的主要控制卡的回零功能中，可以看到，不同运动控制厂商允许的回零方式从1到10多种不等，但其机械和电气系统结构的基本构成是相同的，单轴直线运动控制系统简图如“图一”所示。本文就该基本特征，结合深圳雷赛智能的DMC2410运动控制卡，就影响单轴直线运动系统精度和效率的因数进行探讨，并提供了基于该基本结构的回零流程和VB软件例程。

2、回零点的目的

自动化机械设备是为取代人工来处理对速度，精度有较高要求，并希望能确保获取一致性好的产品而诞生的。为了保证产品的一致性，必须首先确保机械设备的参考原始零位的精准性，这样才能保证在长时间工作时生产出的产品的一致性，而零点是机械系统的参考基准，所以必须保证参考基准的精确和唯一性，回零的目的是确保机械系统零点的重复定位精度在设计范围内，或者说确保单轴或多轴构成的X-Y-Z坐标系的零点在整个自动化设备的机械系统中的位置偏差在设计允许范围内。

3、机电系统回零点的基本结构

典型单轴直线系统的主要构成部件有: 电机（步进电机或伺服），滚珠丝杆（或皮带，齿轮），滑动导轨，运动平台，左右限位感应器，感应片和零点感应器，以这些主要部件为基础，构成的单轴基本结构如下图一：

图一  带零点感应器的单轴直线系统基本构成图解

加入运动控制器件后的单轴直线控制系统的基本构成图如图二。影响回零精度和回零效果的主要因数如下：

●机械因素：机械机构的间隙；电机的定位精度。

●电气因素：零点感应器的响应频率（或时间）；导线的信号输送延迟；采用感应器回零的配合方式。

●控制因素：电机的回零速度；控制卡接收到零点感应器输入电平信号到关断输出脉

●冲的响应时间：该响应时间又受停止模式的影响，有2种停止模式较常见，一是减速停，二是立即停。

●软件因数：是否采用了恰当的回零软件流程。

其中机械因数，导线的信号输送延迟因数，都假定为理想状态，对回零没有影响，不作讨论，本文仅讨论其他的影响因数。

零点感应器的响应频率（或时间）因数：通常磁性感应器的响应频率在1KHz左右，光电感应的响应频率可达到10KHz，响应快的感应器可以允许较高的回零速度。下面通过一个例子结合电机的回零速度，可以看到其影响，参考图二的结构：

图二  带零点感应器的单轴直线控制系统基本构成图解

零点感应器的响应频率（或时间）因数：通常磁性感应器的响应频率在1KHz左右，光电感应的响应频率可达到10KHz，响应快的感应器可以允许较高的回零速度。下面通过一个例子结合电机的回零速度，可以看到其影响，参考图二的结构:

假设：滚珠丝杆的导程是L毫米，电机转速是V转/分钟，零点感应器响应时间是t1秒, 控制卡接收到零点感应器输入电平信号到关断输出脉冲的响应时间是t2秒, 而从机械感应片运动到有效感应区直到控制卡关断脉冲输出的时间是: （t1+t2）, 那么回零位置偏差是：

△L = V*L*(t1+t2)/60

可见，在t1,t2,L一定的情况下，要想提高回零点精度，电机的回零速度应该尽量小；零点感应器的响应时间应尽量短(即响应频率尽量高)；L越小，回零点精度越高；同时还要求控制卡零点响应速度需够快。