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目前在精密機加工和數控機庫中采用的精密位稱(chēng)數控系統框圖如圖1所示。 隨著(zhù)電子技術(shù)和單片機技術(shù)的發(fā)展，光柵傳感器在位移測量系統得到廣泛應用，并逐步向智能化方向轉化。 圖2是利用光柵傳感器構成的位移量自動(dòng)測量系統原理示意圖。該系統采用光柵移動(dòng)產(chǎn)生的莫爾條紋與電子電路以及單片機相結合來(lái)完成對位移量的自動(dòng)測量，它具有判別光柵移動(dòng)方向、預置初值、實(shí)現自動(dòng)定位控制及過(guò)限報警、自檢和掉電保護以及溫度誤差修正等功能。下面對該系統的工作原理及設計思想作以介紹。 2 電子細分與判向電路 光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱(chēng)量進(jìn)行測量。目前高分辯率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統分辯率，需要對莫爾條紋進(jìn)行細分，本系統采用了電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線(xiàn)大致垂直的方向上就會(huì )產(chǎn)生莫爾條紋，隨著(zhù)光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個(gè)數的測量，同量莫爾條紋又具有光學(xué)放大作用，其放大倍數為 式中：W為莫爾條紋寬度；d為光柵柵距（節距）；θ為兩塊光柵的夾角，rad在一個(gè)莫爾條紋寬度內，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現電子細分與羊向功能。本系統采用的光柵尺柵線(xiàn)為50線(xiàn)對/mm，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細分后便可得到分辯率為5μm的計數脈沖，這在一般工業(yè)測控中已達到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，我們采用了由低漂移運放構成的差分放大器。由4個(gè)滏電器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2，為得到判向和計數脈沖，需對這兩路信號進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波，經(jīng)由兩個(gè)與或非門(mén)74LS54芯片組成的四細分判向電路輸入可逆計數器，最后送入由8031組成的單片機系統中進(jìn)行處理。 3 單片機與接口電路 為實(shí)現可逆計數和提高測量速度，系統采用了193可逆計數器。假設工作平臺運行速度為v，光柵傳感器柵距為d，細分數為N，則計數脈沖的頻率為 若v=1m/s,d=20μm,N=20，則f=1MHz，對應計數時(shí)間間隔為1，顯然對于8031單片機系統的響應為2μs是不能勝任的。經(jīng)可逆計數器分頻后，可大大地提高測量速度。 由于193是4位二進(jìn)制輸出，為與單片機接口，把兩片193采用了級聯(lián)的方式，這樣最多可計255個(gè)脈沖，若再來(lái)脈沖，進(jìn)位端或借位端將輸出一個(gè)脈沖送到單片機T0、T1端計數，保證送到8031的信號不丟失。 本系統長(cháng)度最大可測幾米（由光柵實(shí)際長(cháng)度決定），最小分辯率為μm級，需要7個(gè)顯示數據。正向運行時(shí)不顯示符號，反向運行時(shí)需顯示"-"號，所以連同符號位，共需8個(gè)顯示塊。為了符全人們應用習慣，顯示塊選用共陰極LED。 為實(shí)現測量系統的智能化，設置了一個(gè)2×8方式鍵盤(pán)矩陣，其中包括0～9共10個(gè)數字鍵和6個(gè)功能鍵：L/A長(cháng)度/角度轉稱(chēng)功能鍵；+/-符號轉換功能鍵；ΔT溫度誤差修正功能鍵；EXE執行鍵；ENT預置鍵CE（清零鍵）。鍵盤(pán)、顯示器與單片機之間通過(guò)一個(gè)接口芯片8155來(lái)連接。其中，8155的PA口設置轔基本輸出方式，作為8位LED顯示的段碼線(xiàn)；PB口設為輸出方式，作為8位LED的位選線(xiàn)；PC口設為輸入方式，作為鍵盤(pán)的行掃描線(xiàn)。PB口俠選線(xiàn)每次選通1位顯示，每次顯示1ms，由于人眼視覺(jué)惰性，可產(chǎn)生8位顯示塊同時(shí)顯示現象。 由于從前置電路74LS54出來(lái)的脈沖經(jīng)過(guò)2片193分頻后，直接進(jìn)入8031的僅為大于255的"大"數，而小于255的"小"數是由兩片193輸出通過(guò)I/O接口輸入到8031內部處理，這個(gè)I/O接口芯片是通過(guò)擴展一片8255實(shí)現的。其中，8255PB口設為基本輸入方式，PB0-PB3作為1#193輸入，PB4～PB7作為2#193輸入。PA口、PC口的低位設為輸出，作為系統并行BCD碼輸出。由于8031單片機無(wú)內ROM，應外擴展一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片選，不必增加地址譯碼。為鎖存8031P0口輸入的地址信號，在8031和2732之間需加一片74LS373地址鎖存器。 4 軟件設計 根據硬件電路和系統功能要求，我們設計了軟件程序，由于采用了溫度誤差修正子程序，可使檢測的精度得到大大提高。光柵傳感器是光機電一體化結構，光柵尺是由玻璃制做，外殼是由型鋁材料。當環(huán)境溫度變化時(shí)，必然會(huì )引起結構尺寸改變導致光柵柵距的變化，帶來(lái)檢測誤差。設定環(huán)境溫度為20℃時(shí)為檢測標準值，與標準值比較測出溫度變化時(shí)帶來(lái)的位移誤差值，即時(shí)測出位移誤差一溫度特殊性性曲線(xiàn)，由特性曲線(xiàn)擬合出誤差一溫度方程式，作為軟件溫度誤差修正的基礎。 本系統軟件采用模塊化結構，軟件編制簡(jiǎn)潔，緊湊合理。 5 結論 根據上述硬件電路和軟件設計，經(jīng)實(shí)驗測試，系統的測精度可優(yōu)于±5μm，目前，我們研制的利用光柵傳感器進(jìn)行長(cháng)度、角度自動(dòng)測量的智能儀表已形成系列產(chǎn)品，分辯率可從20μm到1μm，具有性能穩定、抗干擾能力強、體積小、結構緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成功地應用于機庫改造和相關(guān)的光電尺寸與位置檢測系統中。 |
