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。為了提高我國制造技術(shù)水平,必須提高我國數(shù)控機(jī)床的占有率。根據(jù)我國國情,提高機(jī)床數(shù)控化率主要途徑是對舊機(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)床加工過程是按預(yù)先編制好的零件加工程序自動進(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,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裝置的敏感元件。光柵輸出信號為數(shù)字量,數(shù)據(jù)不受溫度、時間的影響,抗十?dāng)_能力強(qiáng),它是一種定值式傳感器,測量精度取決于光柵刻線的準(zhǔn)確性,能夠動態(tài)而高精度地測量直線位移,還可以測量角位移,是一種比較理想的測量工具。
本文介紹的基于AT89S51的數(shù)控機(jī)床光柵尺位移測量系統(tǒng),以單片機(jī)為核心,以光柵尺為敏感元件,結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、體積小、制作成本低。該測量系統(tǒng)適用于測量數(shù)控機(jī)床加工過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角相對傾斜重疊放置時,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)尺光柵相對主光柵沿垂直刻線移動時,莫爾條紋跟隨其移動。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,因此可以通過記錄這兩路方波的個數(shù)來測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
大部分被測物體的移動往往不是中一向的,既有正向運(yùn)動,也有反向運(yùn)動。而光柵輸出信號為兩路相位相差90°的方波信號,不能直接辨別物體的運(yùn)動的方向。可以通過設(shè)計硬件辨向電路來識辨物體的運(yùn)動方向。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)主光柵向左移動時光柵輸出波形如圖3所示,對于與門Y1,由于A1處于高電平時B總是低電平,故脈沖被阻塞Y1無輸出。對與門Y2, A1'處于高電平時,B也正處于高電平,故允許脈沖通過,并觸發(fā)D觸發(fā)器使之置“1”。T1計數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進(jìn)行計數(shù)。同理,當(dāng)主光柵反向移動時,與門Y2阻塞,Y1輸出脈沖信弓使D觸發(fā)器置“1 ”, AT89S51計數(shù)器TO對與門Y1輸出的脈沖進(jìn)行計數(shù)。這樣每當(dāng)光柵移動一個柵距時,辨向電路只輸出一個脈沖,AT89S51計數(shù)器T0和T1所計之脈沖數(shù)之差代表光柵位移Xo若脈沖當(dāng)量為以,則位移為:
圖3光柵向左移動時辨向電路各點(diǎn)波形
X=(T0-T1)*d(1)
其中T0, T1分別表示計數(shù)器T0, T1計數(shù)值。
也就是說在信寫A有效的時間內(nèi)可以準(zhǔn)確檢測到信寫B(tài)是高或低電平。
4 光柵位移測量系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
該位移測量系統(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16位的定時器/計數(shù)器。鍵盤和顯示部分木文采用了煒煌公司設(shè)計的、具有SPI串行接II功能且可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼昔的智能撤示驅(qū)動芯片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。串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動LED, 64鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動電路。
(1)硬件電路設(shè)計
數(shù)控機(jī)床光柵位移測量系統(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。位移測量系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。
圖6 光柵尺位移測量系統(tǒng)的原理框圖
(2)工作過程
COP-42-5光柵尺輸出兩路相角相差900的位移采集信號,經(jīng)辨向電路得到一方波信號和一光脈沖信號,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分別接入AT89S51的T0和T1進(jìn)行計數(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,若測量長度為20cm,則總共有20x10x100=2x104個脈沖,因此計數(shù)器工作與方式。即可。經(jīng)實(shí)驗測量誤差不超過±10μm。
5 軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)
本文利用Keil C51集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)設(shè)計光柵尺位移測量系統(tǒng)軟件。Neil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件71=發(fā)系統(tǒng),Keil C51軟件提供豐富的庫函數(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。光柵測位移泉示程序主要包括讀計數(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、千、百、十、個位數(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;差值為個位。關(guān)于小數(shù)點(diǎn)的控制,以直線位移為例,測量長度為200mm脈沖當(dāng)量為0.01mm,若以毫米為顯示示單位則測量顯示數(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 光柵測位移顯示程序流程圖
6 結(jié)論
本測量系統(tǒng)的電路設(shè)計合理,結(jié)構(gòu)簡單,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,本測量系統(tǒng)沒有對光柵尺進(jìn)行細(xì)分。該系統(tǒng)主要為高精密數(shù)控機(jī)床測量泉示而設(shè)計,也適用于一般要求的泉示測量位移的工作場合。該測量系統(tǒng)裝置已在實(shí)驗室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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