聯(lián)系人 朱乃進(jìn) 15962102502
光柵：光柵是結(jié)合數(shù)碼科技與傳統(tǒng)印刷的技術(shù)，能在特制的膠片上顯現(xiàn)不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立體世界，電影般的流暢動(dòng)畫片段，匪夷所思的幻變效果。
光柵是一張由條狀透鏡組成的薄片，當(dāng)我們從鏡頭的一邊看過去，將看到在薄片另一面上的一條很細(xì)的線條上的圖像，而這條線的位置則由觀察角度來決定。如果我們將這數(shù)幅在不同線條上的圖像，對(duì)應(yīng)于每個(gè)透鏡的寬度，分別按順序分行排列印刷在光柵薄片的背面上，當(dāng)我們從不同角度通過透鏡觀察，將看到不同的圖像。
光柵尺 其實(shí)起到的作用是對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)起一個(gè)檢測的作用,在數(shù)控機(jī)床中常用來觀察其是否走刀有誤差,以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)的誤差的補(bǔ)償作用.其實(shí)就象人眼睛看到我切割偏沒偏的作用.然后可以給手起到一個(gè)是否要調(diào)整我是否要改變用力的標(biāo)準(zhǔn).
一、引言
目前在精密機(jī)加工和數(shù)控機(jī)庫中采用的精密位稱數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。
隨著電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，光柵傳感器在位移測量系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，并逐步向智能化方向轉(zhuǎn)化。
圖2是利用光柵傳感器構(gòu)成的位移量自動(dòng)測量系統(tǒng)原理示意圖。該系統(tǒng)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(jī)相結(jié)合來完成對(duì)位移量的自動(dòng)測量，它具有判別光柵移動(dòng)方向、預(yù)置初值、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位控制及過限報(bào)警、自檢和掉電保護(hù)以及溫度誤差修正等功能。下面對(duì)該系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計(jì)思想作以介紹。
二、電子細(xì)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(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位稱量進(jìn)行測量。目前高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，本系統(tǒng)采用了電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對(duì)光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測量，同量莫爾條紋又具有光學(xué)放大作用，其放大倍數(shù)為 ：
(1)
式中：W為莫爾條紋寬度；d為光柵柵距（節(jié)距）；θ為兩塊光柵的夾角，rad
在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與羊向功能。本系統(tǒng)采用的光柵尺柵線為50線對(duì)/mm，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖，這在一般工業(yè)測控中已達(dá)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(hào)。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(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)滏電器件獲得的4路光電信號(hào)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(hào)其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)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74LS54芯片組成的四細(xì)分判向電路輸入可逆計(jì)數(shù)器，最后送入由8031組成的單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理。
三、單片機(jī)與接口電路
為實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)和提高測量速度，系統(tǒng)采用了193可逆計(jì)數(shù)器。假設(shè)工作平臺(tái)運(yùn)行速度為v，光柵傳感器柵距為d，細(xì)分?jǐn)?shù)為N，則計(jì)數(shù)脈沖的頻率為：
(2)
若v=1m/s,d=20μm,N=20，則f=1MHz，對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為1，顯然對(duì)于8031單片機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)為2μs是不能勝任的。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)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(jī)接口，把兩片193采用了級(jí)聯(lián)的方式，這樣最多可計(jì)255個(gè)脈沖，若再來脈沖，進(jìn)位端或借位端將輸出一個(gè)脈沖送到單片機(jī)T0、T1端計(jì)數(shù)，保證送到8031的信號(hào)不丟失。
本系統(tǒng)長度最大可測幾米（由光柵實(shí)際長度決定），最小分辨率為μm級(jí)，需要7個(gè)顯示數(shù)據(jù)。正向運(yùn)行時(shí)不顯示符號(hào)，反向運(yùn)行時(shí)需顯示"-"號(hào)，所以連同符號(hào)位，共需8個(gè)顯示塊。為了符全人們應(yīng)用習(xí)慣，顯示塊選用共陰極LED。
為實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的智能化，設(shè)置了一個(gè)2×8方式鍵盤矩陣，其中包括0～9共10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵：L/A長度/角度轉(zhuǎn)稱功能鍵；+/-符號(hào)轉(zhuǎn)換功能鍵；ΔT溫度誤差修正功能鍵；EXE執(zhí)行鍵；ENT預(yù)置鍵CE（清零鍵）。鍵盤、顯示器與單片機(jī)之間通過一個(gè)接口芯片8155來連接。其中，8155的PA口設(shè)置轔基本輸出方式，作為8位LED顯示的段碼線；PB口設(shè)為輸出方式，作為8位LED的位選線；PC口設(shè)為輸入方式，作為鍵盤的行掃描線。PB口俠選線每次選通1位顯示，每次顯示1ms，由于人眼視覺惰性，可產(chǎn)生8位顯示塊同時(shí)顯示現(xiàn)象。
由于從前置電路74LS54出來的脈沖經(jīng)過2片193分頻后，直接進(jìn)入8031的僅為大于255的"大"數(shù)，而小于255的"小"數(shù)是由兩片193輸出通過I/O接口輸入到8031內(nèi)部處理，這個(gè)I/O接口芯片是通過擴(kuò)展一片8255實(shí)現(xiàn)的。其中，8255PB口設(shè)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(shè)為輸出，作為系統(tǒng)并行BCD碼輸出。由于8031單片機(jī)無內(nèi)ROM，應(yīng)外擴(kuò)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(hào)，在8031和2732之間需加一片74LS373地址鎖存器。
四、軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)硬件電路和系統(tǒng)功能要求，我們設(shè)計(jì)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(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，光柵尺是由玻璃制做，外殼是由型鋁材料。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，必然會(huì)引起結(jié)構(gòu)尺寸改變導(dǎo)致光柵柵距的變化，帶來檢測誤差。設(shè)定環(huán)境溫度為20℃時(shí)為檢測標(biāo)準(zhǔn)值，與標(biāo)準(zhǔn)值比較測出溫度變化時(shí)帶來的位移誤差值，即時(shí)測出位移誤差一溫度特殊性性曲線，由特性曲線擬合出誤差一溫度方程式，作為軟件溫度誤差修正的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件編制簡潔，緊湊合理。
五、結(jié)論
根據(jù)上述硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)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)行長度、角度自動(dòng)測量的智能儀表已形成系列產(chǎn)品，分辨率可從20μm到1μm，具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于機(jī)庫改造和相關(guān)的光電尺寸與位置檢測系統(tǒng)中。
光柵尺位移傳感器的介紹
一、位移傳感器基本原理
光柵位移傳感器的工作原理，是由一對(duì)光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，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)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（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)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90o的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示。
二、位移傳感器安裝方式
光柵線位移傳感器的安裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位。
一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺(tái)（滑板）上，隨機(jī)床走刀而動(dòng)，讀數(shù)頭固定在床身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時(shí)，則必須增加輔助密封裝置。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對(duì)機(jī)床靜止部件上，此時(shí)輸出導(dǎo)線不移動(dòng)易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的部件上（如滑板）。
1、位移傳感器安裝基面
安裝光柵線位移傳感器時(shí)，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機(jī)床身上，更不能安裝在打底涂漆的機(jī)床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部件上。用千分表檢查機(jī)床工作臺(tái)的主尺安裝面與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的方向平行度。千分表固定在床身上，移動(dòng)工作臺(tái)，要求達(dá)到平行度為0.1mm/1000mm以內(nèi)。如果不能達(dá)到這個(gè)要求，則需設(shè)計(jì)加工一件光柵尺基座?；笞龅剑孩賾?yīng)加一根與光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出光柵尺50mm左右）。②該基座通過銑、磨工序加工，保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內(nèi)。另外，還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時(shí)，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達(dá)到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。
2、位移傳感器主尺安裝
將光柵主尺用M4螺釘上在機(jī)床安裝的工作臺(tái)安裝面上，但不要上緊，把千分表固定在床身上，移動(dòng)工作臺(tái)（主尺與工作臺(tái)同時(shí)移動(dòng)）。用千分表測量主尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的平行度，調(diào)整主尺M(jìn)4螺釘位置，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時(shí)，把M2螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時(shí)，應(yīng)注意如下三點(diǎn)：
?。?） 在裝主尺時(shí)，如安裝超過1.5M以上的光柵時(shí)，不能象橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個(gè)主尺尺身中有支撐。
（2） 在有基座情況下安裝好后，最好用一個(gè)卡子卡住尺身中點(diǎn)（或幾點(diǎn)）。
?。?） 不能安裝卡子時(shí)，最好用玻璃膠粘住光柵尺身，使基尺與主尺固定好。
3、位移傳感器讀數(shù)頭的安裝
在安裝讀數(shù)頭時(shí)，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達(dá)到安裝要求，然后再安裝讀數(shù)頭，其安裝方法與主尺相似。最后調(diào)整讀數(shù)頭，使讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內(nèi)，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以內(nèi)。
4、位移傳感器限位裝置
光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝限位裝置，以免機(jī)床加工產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購光柵線位移傳感器時(shí)，應(yīng)盡量選用超出機(jī)床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以留有余量。
5、位移傳感器檢查
光柵線位移傳感器安裝完畢后，可接通數(shù)顯表，移動(dòng)工作臺(tái)，觀察數(shù)顯表計(jì)數(shù)是否正常。
在機(jī)床上選取一個(gè)參考位置，來回移動(dòng)工作點(diǎn)至該選取的位置。數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表與數(shù)顯表同時(shí)調(diào)至零（或記憶起始數(shù)據(jù)），往返多次后回到初始位置，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據(jù)是否一致。
通過以上工作，光柵傳感器的安裝就完成了。但對(duì)于一般的機(jī)床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應(yīng)附帶加裝護(hù)罩，護(hù)罩的設(shè)計(jì)是按照光柵傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護(hù)罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。
三、位移傳感器使用注意事項(xiàng)
（1）光柵傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源后進(jìn)行。
?。?）盡可能外加保護(hù)罩，并及時(shí)清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴(yán)格防止任何異物進(jìn)入光柵傳感器殼體內(nèi)部。
（3）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動(dòng)。
?。?）為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油，注意勿濺落在玻璃光柵刻劃面上。
?。?） 為保證光柵傳感器使用的可靠性，可每隔一定時(shí)間用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔。
?。?） 光柵傳感器嚴(yán)禁劇烈震動(dòng)及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂，光柵傳感器即失效了。
（7） 不要自行拆開光柵傳感器，更不能任意改動(dòng)主柵尺與副柵尺的相對(duì)間距，否則一方面可能破壞光柵傳感器的精度；另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對(duì)摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報(bào)廢。
（8） 應(yīng)注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布，引起測量誤差。
?。?） 光柵傳感器應(yīng)盡量避免在有嚴(yán)重腐蝕作用的環(huán)境中工作，以免腐蝕光柵鉻層及光柵尺表面，破壞光柵尺質(zhì)量。
