CNC加工中心主轴编码器数字倍频
伯特利数控 加工中心 钻攻中心
前言：
目前在cnc系统加工技术中的螺纹插补加工技术多数采用的是主轴编码器跟踪技术，即加工刀具所在轴的电机跟随主轴编码器的旋转而旋转，也就是说电机驱动器的脉冲源来自主轴编码器信号。常用主轴编码器的线数主要有1024线/转和1200线/转，目前cnc系统的精度是〇.〇〇1mm，如果主轴编码器转一转加工一个螺距的话，其可大加工1.024mm(对应1024线/转编码器）和1.2mm(对应1200线/转编码器）螺距的螺纹，这远远达不到螺纹螺距加工的要求，解决不了大螺纹加工问题，所以必须对主轴编码器信号进行倍频处理。
传统的主轴编码器倍频技术解决方案是用软件技术进行倍频:通过软件计算主轴编码器的转速，计算在一个编码器脉冲周期中产生多个脉冲（例如：100倍频就产生100个脉冲）给刀具电机驱动器，从而实现大螺距螺纹加工。这个算法的主要问题是:软件算法占用大量的系统资源，实时性差、有累计误差、脉冲不均匀时加工振动大、光洁度不好。
鉴于软件倍频方法的不足，提出了 “变频脉冲均匀倍频法”。所提出的方法不仅同时考虑了脉冲的频率，同时考虑了脉冲的数量，而且使所倍频后的脉冲均匀分布在原有脉冲上。
1变频脉冲均匀倍频法原理1.1变频脉冲均匀倍频法原理
变频脉冲均匀倍频法是通过检测第一个输入脉冲，然后记录与下一个输入脉冲之间的时间间隔来确定倍频脉冲输出序列的脉冲间隔时间。所以此法后的输出脉冲相对于输入脉冲是延迟一个时间间隔输出的。图1为输入脉冲四倍频的示意图，两条实线分别表示输入脉冲串和输出脉冲串。a、b、c、d、e为输入脉冲，所对应的输出脉冲为a、b、c、d、e。由图可知，输出脉冲输出相对于输入脉冲整体延迟一个时间间隔，而此时间间隔为开始倍频的第一个和第二个脉冲之间的时间间隔。
1.2倍频输出脉冲间隔时间的确定
由于主轴在启动阶段做加速运动，停止阶段做减数运动，同时在加工过程中转速也不是稳定的；所以倍频处理需要根据两输入脉冲之间的间隔时间确定倍频后输出脉冲的脉冲间隔时间，即输出脉冲的间隔时间为输入脉冲间隔时间的倍频数份之一。所以此法的输出脉冲是跟随输入脉冲并且脉冲输出是均匀分布的。如图1所示，以四倍频为例，在定位首脉冲的时候，同时对当前脉冲和下一脉冲到来的时间间隔计时；当确认当前脉冲为首脉冲之后，在下一脉冲到来时立即输出倍频后脉冲序列。图中a为首脉冲，在b脉冲到来后，立即开始输出对应于a的以a为起始倍频后脉冲序列；之后以此类推。同时需要注意的是，要做到脉冲均匀分布，输出脉冲间隔时间的小数部分也是需要做处理的。这里的办法就是保留并且累计小数部分。
假设编码器为1024线/转，主轴大转速为10000转/分，则输入脉冲时间间隔为5.859|xs，对输入脉冲之间的时间间隔计时是以fpga内部系统时钟为基准计数实现的。所使用的系统时钟周期为20ns。所以使用的系统时钟可以达到实际使用需求。
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传统的主轴编码器倍频技术解决方案是用软件技术进行倍频:通过软件计算主轴编码器的转速，计算在一个编码器脉冲周期中产生多个脉冲（例如：100倍频就产生100个脉冲）给刀具电机驱动器，从而实现大螺距螺纹加工。这个算法的主要问题是:软件算法占用大量的系统资源，实时性差、有累计误差、脉冲不均匀时加工振动大、光洁度不好。
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变频脉冲均匀倍频法是通过检测第一个输入脉冲，然后记录与下一个输入脉冲之间的时间间隔来确定倍频脉冲输出序列的脉冲间隔时间。所以此法后的输出脉冲相对于输入脉冲是延迟一个时间间隔输出的。图1为输入脉冲四倍频的示意图，两条实线分别表示输入脉冲串和输出脉冲串。a、b、c、d、e为输入脉冲，所对应的输出脉冲为a、b、c、d、e。由图可知，输出脉冲输出相对于输入脉冲整体延迟一个时间间隔，而此时间间隔为开始倍频的第一个和第二个脉冲之间的时间间隔。
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假设编码器为1024线/转，主轴大转速为10000转/分，则输入脉冲时间间隔为5.859|xs，对输入脉冲之间的时间间隔计时是以fpga内部系统时钟为基准计数实现的。所使用的系统时钟周期为20ns。所以使用的系统时钟可以达到实际使用需求。
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