1 引言

　　數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)不可缺少的設(shè)備，它的應(yīng)用是制造業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)。為了提高我國(guó)制造技術(shù)水平，必須提高我國(guó)數(shù)控機(jī)床的占有率。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，提高機(jī)床數(shù)控化率主要途徑是對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化再制造。舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化再制造關(guān)鍵技術(shù)之一是提高機(jī)床的精度。數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程是按預(yù)先編制好的零件加工程序自動(dòng)進(jìn)行的，不隨實(shí)際加工狀況變化而變化。但實(shí)際加工現(xiàn)場(chǎng)，通常存在許多變量直接或間接地影響加工精度，如工件毛壞、余量及其誤差等。為提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，有必要為其配備在線測(cè)量裝置。

　　在高精度的數(shù)控機(jī)床上，可以使用光柵作為位置檢測(cè)裝置的敏感元件。光柵輸出信號(hào)為數(shù)字量，數(shù)據(jù)不受溫度、時(shí)間的影響，抗十?dāng)_能力強(qiáng)，它是一種定值式傳感器，測(cè)量精度取決于光柵刻線的準(zhǔn)確性，能夠動(dòng)態(tài)而高精度地測(cè)量直線位移，還可以測(cè)量角位移，是一種比較理想的測(cè)量工具。

　　本文介紹的基于AT89S51的數(shù)控機(jī)床光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，以光柵尺為敏感元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、體積小、制作成本低。該測(cè)量系統(tǒng)適用于測(cè)量數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中的直線位移和角位移，可以和CNC系統(tǒng)組成閉環(huán)控系統(tǒng)。

2 光柵尺位移測(cè)量工作原理

　　光柵是由光源、透鏡、主光柵、標(biāo)尺光柵和光電元件組成如圖1。當(dāng)主光柵和標(biāo)尺光柵旱一很小的e角相對(duì)傾斜重疊放置時(shí)，造成兩光柵尺上的線紋交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊形成明暗相間的莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)主光柵沿垂直刻線移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋跟隨其移動(dòng)。莫爾條紋的光強(qiáng)度近似旱正(余)弦曲線變化，經(jīng)光電元件所感應(yīng)的光電流變化規(guī)律近似為正(余)弦曲線。經(jīng)放大、整形，形成脈沖。光柵輸出信弓一般為兩路相角相差90°方波，因此可以通過(guò)記錄這兩路方波的個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量位移的方向和大小。

圖1光柵工作原理圖

3 光柵尺位移的辨向原理

　　大部分被測(cè)物體的移動(dòng)往往不是中一向的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也有反向運(yùn)動(dòng)。而光柵輸出信號(hào)為兩路相位相差90°的方波信號(hào)，不能直接辨別物體的運(yùn)動(dòng)的方向�？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)硬件辨向電路來(lái)識(shí)辨物體的運(yùn)動(dòng)方向。辨向電路原理如圖2所示。

圖2辨向電路原理圖

　　將光柵尺輸出相位相差90°的A, B兩路方波信弓，送到辨向電路中去處理o A經(jīng)反相后得到方波o A和A·經(jīng)RC微分電路后得到兩組光脈沖信5 A1和A1’分別加到與門Y1和Y2的輸入端。假使當(dāng)主光柵向左移動(dòng)時(shí)光柵輸出波形如圖3所示，對(duì)于與門Y1，由于A1處于高電平時(shí)B總是低電平，故脈沖被阻塞Y1無(wú)輸出。對(duì)與門Y2， A1'處于高電平時(shí)，B也正處于高電平，故允許脈沖通過(guò)，并觸發(fā)D觸發(fā)器使之置“1”。T1計(jì)數(shù)器對(duì)與門Y2輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。同理，當(dāng)主光柵反向移動(dòng)時(shí)，與門Y2阻塞，Y1輸出脈沖信弓使D觸發(fā)器置“1 ”， AT89S51計(jì)數(shù)器TO對(duì)與門Y1輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣每當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，辨向電路只輸出一個(gè)脈沖，AT89S51計(jì)數(shù)器T0和T1所計(jì)之脈沖數(shù)之差代表光柵位移Xo若脈沖當(dāng)量為以，則位移為:

圖3光柵向左移動(dòng)時(shí)辨向電路各點(diǎn)波形

　　X=(T0-T1)*d(1)

　　其中T0, T1分別表示計(jì)數(shù)器T0, T1計(jì)數(shù)值。

　　也就是說(shuō)在信寫A有效的時(shí)間內(nèi)可以準(zhǔn)確檢測(cè)到信寫B(tài)是高或低電平。

4 光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　該位移測(cè)量系統(tǒng)采用COP-42-5光柵尺采集位移信寫，光柵輸出信寫為TTL電平。處理采集信寫芯片選用Atmel的AT89S51，89551芯片支持ISP在線編程功能，內(nèi)部具有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。鍵盤和顯示部分木文采用了煒煌公司設(shè)計(jì)的、具有SPI串行接II功能且可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼昔的智能撤示驅(qū)動(dòng)芯片WH8280。WH8280內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受16進(jìn)制碼或BCD碼，并同時(shí)具有2種譯碼方式，可段守址。WH8280具有片選信寫，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的撤示或多于64鍵的鍵盤接口。串行接口無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED， 64鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路。

　　(1)硬件電路設(shè)計(jì)

　　數(shù)控機(jī)床光柵位移測(cè)量系統(tǒng)硬件主要有光柵辨向電路、AT89S51中一片機(jī)、WH8280鍵盤和數(shù)碼答電路組成。辨向電路圖如圖3。位移測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖6 光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖

　　(2)工作過(guò)程

　　COP-42-5光柵尺輸出兩路相角相差900的位移采集信號(hào)，經(jīng)辨向電路得到一方波信號(hào)和一光脈沖信號(hào)，由于辨向電路輸出的信弓是TTL電平，可將方波信弓和光脈沖信號(hào)分別接入AT89S51的T0和T1進(jìn)行計(jì)數(shù)。WH8280采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并與CLK端同步。當(dāng)片選信號(hào)CS變?yōu)榈碗娖胶�，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入WH8280的緩沖寄存器，即單片機(jī)得到采集數(shù)據(jù)通過(guò)WH8280送數(shù)碼答顯示。

　　COP-42-5光柵尺分辨率為10}vm}即 100脈沖/mm(脈沖當(dāng)量為0.01mm，以直線位移為例，若測(cè)量長(zhǎng)度為20cm，則總共有20x10x100=2x104個(gè)脈沖，因此計(jì)數(shù)器工作與方式。即可。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差不超過(guò)±10μm。

5 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　本文利用Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)軟件。Neil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件71=發(fā)系統(tǒng)，Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成71=發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面，便于編成和調(diào)試。光柵測(cè)位移泉示程序主要包括讀計(jì)數(shù)器T0, T1程序、泉示數(shù)據(jù)程序以及T0或T1溢出中斷子程序。其中讀取T0和T1的數(shù)據(jù)之差值后還需將其轉(zhuǎn)換為萬(wàn)、千、百、十、個(gè)位數(shù)，以便LED按位泉示。將讀取T0和T1的數(shù)據(jù)之差值存入30H。轉(zhuǎn)換30H數(shù)據(jù)思想:30H-10000夠減X次，則萬(wàn)位為X;差值-1000夠減Y次，則千位為Y;差值-100夠減Z次，則百位為Z;差值-10夠減U次，則十位為U;差值為個(gè)位。關(guān)于小數(shù)點(diǎn)的控制，以直線位移為例，測(cè)量長(zhǎng)度為200mm脈沖當(dāng)量為0.01mm，若以毫米為顯示示單位則測(cè)量顯示數(shù)據(jù)有兩位小數(shù)，因此可將小數(shù)點(diǎn)固定泉示。根據(jù)WH8280指令，令小數(shù)點(diǎn)控制位第二位點(diǎn)亮即可。WH8280指令中，位DP為小數(shù)點(diǎn).Iv示位。DP=1,顯示小數(shù)點(diǎn);DP=0，則不顯示。本文僅給出程序流程圖如圖7所示。

圖4 光柵測(cè)位移顯示程序流程圖

6 結(jié)論

　　本測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定、可靠，成本低，抗十?dāng)_能力強(qiáng)。由于光柵尺本身的分辨率可達(dá)10μm甚至0.1μm，已滿足加工要求，本測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)光柵尺進(jìn)行細(xì)分。該系統(tǒng)主要為高精密數(shù)控機(jī)床測(cè)量泉示而設(shè)計(jì)，也適用于一般要求的泉示測(cè)量位移的工作場(chǎng)合。該測(cè)量系統(tǒng)裝置已在實(shí)驗(yàn)室SINUMERIK 802D數(shù)控機(jī)床上調(diào)試成功，且目前運(yùn)行情況良好。

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