在論壇上看到有人提出光柵尺與PLC如何配套使用的問題。結(jié)合本人使用過光柵尺的經(jīng)歷,寫了這篇文章。希望能提供有用的參考。
一、 結(jié)構(gòu)和工作原理
光柵尺由有標(biāo)尺光柵(尺體)和讀數(shù)頭兩部分組成。尺體裝在移動(dòng)部件上,讀數(shù)頭裝在固定部件上。也有人把讀數(shù)頭裝在移動(dòng)部件上(針對(duì)尺體移動(dòng)不方便的情況),測(cè)量效果是一樣的,不一樣的是信號(hào)線移動(dòng)不方便。
尺體移動(dòng)就是一對(duì)光柵中的主光柵(標(biāo)尺光柵)和副光柵(指示光柵)進(jìn)行相對(duì)位移,在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間(或明暗相間)的規(guī)則條紋(莫爾條紋)。經(jīng)過光電器件使黑白(或明暗)相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào),再經(jīng)過電路的放大和整形后,得到兩個(gè)相位差90度的正弦波或方波信號(hào)A和B。正弦波或方波的周期數(shù)與移動(dòng)距離成正比。尺體正向移動(dòng)時(shí),A信號(hào)超前B信號(hào)90度,尺體反向移動(dòng)時(shí),A信號(hào)滯后B信號(hào)90度。有些光柵尺還輸出一個(gè)Z信號(hào)(回零信號(hào))。
二、 柵距和分辨率
等距的密集線紋,利用光的透射現(xiàn)象形成光柵,線紋的間距稱為柵距。以柵距20um(50線/mm)為例,假設(shè)不用其它措施,尺體每移動(dòng)20um,讀數(shù)頭就輸出一個(gè)周期信號(hào),輸出10個(gè)周期信號(hào),表示移動(dòng)了200um。柵距越小,測(cè)量精度越高,成本越高。在保持柵距不變的情況下,把輸出的周期信號(hào)進(jìn)行4倍細(xì)分處理,那么每移動(dòng)20um,就輸出4個(gè)周期信號(hào),每個(gè)周期信號(hào)表示移動(dòng)5um。廠商就稱呼這個(gè)光柵尺的分辨率是5um,但這個(gè)5um并不是指柵距是5um。如果尺體移動(dòng)距離低于20um,不管是多少細(xì)分處理,結(jié)果是輸出0個(gè)周期信號(hào)。
三、 供電方式和輸出信號(hào)
供電方式常見的有直流5V和24V兩種。為了方便與PLC配套使用,最好選擇24V供電的。
光柵尺的輸出信號(hào)多數(shù)是方波信號(hào),常見的有兩種:一種是TTL電平信號(hào),另一種是RS422差分信號(hào)。有些廠商還能訂做集電極開路輸出信號(hào)(NPN和PNP兩種)。對(duì)于PLC來(lái)說,不是所有信號(hào)都適用。PLC的主單元和高速計(jì)數(shù)模塊(如FX2N-1HC、FX3U-2HC、FX3U-4HSX-ADP和CC-Link計(jì)數(shù)模塊AJ65BT-D62等等)可以直接接收集電極開路輸出信號(hào),集電極開路輸出說白了,就是電子開關(guān)。高電平表示開關(guān)導(dǎo)通,低電平表示開關(guān)截止?梢越油ㄖ绷麟娐。與集電極開路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器的連接方法沒有區(qū)別。NPN型與PNP型的區(qū)別:開關(guān)導(dǎo)通時(shí),NPN型的電流方向是從集電極流向發(fā)射極。PNP型的電流方向是從發(fā)射極流向集電極。
TTL電平信號(hào)輸出可以用于單片機(jī)或DSP,但不能直接用于PLC。需要加一個(gè)直流電子開關(guān)模塊(淘寶網(wǎng)有售),把TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成集電極開路輸出信號(hào)。對(duì)于低速移動(dòng)部件,幾乎沒什么影響。但對(duì)于高速移動(dòng)的部件,這會(huì)帶來(lái)信號(hào)的延遲,甚至周期信號(hào)的丟失。
RS422差分信號(hào)的特點(diǎn)是,輸出A、A反相、B、B反相等4個(gè)信號(hào)。有些還能輸出Z和Z反相信號(hào)。這種輸出方式,可以利用兩個(gè)反相信號(hào)來(lái)抵消外界的電磁干擾,特別適用于干擾惡劣的環(huán)境。PLC主單元和部分高速計(jì)數(shù)模塊(如FX2N-1HC、AJ65BT-D62)不能直接接收RS422信號(hào),需要加一個(gè)差分信號(hào)轉(zhuǎn)集電極開路輸出模塊(淘寶網(wǎng)有售),把差分信號(hào)轉(zhuǎn)集電極開路輸出信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換接收方式所帶來(lái)的問題,與TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換接收是一樣的。有些高速計(jì)數(shù)模塊(FX3U-2HC、AJ65BT-D62D、AJ65BT-D62-S1等)能夠直接接收RS422差分信號(hào)。
PLC主單元有外部高速計(jì)數(shù)輸入端口和內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器,可用于處理光柵尺的信號(hào)。這是不是說高速計(jì)數(shù)模塊就沒用呢?答案是否定的。PLC主單元處理信號(hào)頻率不如高速計(jì)數(shù)模塊。FX2N系列接收單相信號(hào)最高60KHz,接收2相信號(hào)最高30KHz。如果使用專用比較指令,單相最高10KHz,2相信號(hào)最高5KHz。FX3U系列接收單相信號(hào)最高100KHz,接收2相信號(hào)最高50KHz。如果使用專用指令,最高不會(huì)超過60KHz。而很多高速計(jì)數(shù)模塊,可以處理單相信號(hào)最高200KHz,2相信號(hào)最高100KHz。這幾乎是主單元的兩倍。
我們可以計(jì)算一下,以FX3U主單元為例,假設(shè)接收2相信號(hào)(因?yàn)楹芏嗲闆r要根據(jù)相位差來(lái)判斷部件移動(dòng)方向),不使用專用指令(編程難度加大),最高響應(yīng)頻率是50KHz,表示每秒可以接收50000個(gè)脈沖信號(hào),假設(shè)使用柵距為20um的光柵尺,移動(dòng)一個(gè)柵距,輸出一個(gè)脈沖。那么50000×20um=1000mm。這就是說,部件移動(dòng)速度最高不得超過1000mm/s。如果使用的光柵尺的分辨率是5um,每移動(dòng)20um就輸出4個(gè)脈沖,部件移動(dòng)速度最高不得超過250mm/s。如果要使用專用指令,移動(dòng)速度還得進(jìn)一步降低。上述分析計(jì)算是在理論狀態(tài)下進(jìn)行的。實(shí)際中,還要考慮PLC主單元處理高頻信號(hào)的失真、丟失計(jì)數(shù)量、程序循環(huán)執(zhí)行引起的響應(yīng)延遲等情況。另外,在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中,最好使用RS422差分信號(hào),保證系統(tǒng)的抗干擾能力。而PLC主單元是不能直接接收RS422差分信號(hào)。