基于單片機AT89S51的光柵數顯系統

電動(dòng)鏟運機前后機架、噴漿機減速箱體以及電機車(chē)減速箱體等礦用機械主要部件一般都需要在臥式鏜床上加工。我廠(chǎng)的T612鏜床經(jīng)過(guò)近三十年的運行已老化嚴重，精度下降，不能滿(mǎn)足高精度機械加工的要求。在對該設備大修時(shí)成功地對其進(jìn)行了數顯改造，安裝了光柵數顯系統，該系統采用光柵移動(dòng)產(chǎn)生的莫爾條紋與電子電路、單片機相結合來(lái)完成對位移量的自動(dòng)測量，并以數字顯示位移量。下面介紹該系統的工作原理及實(shí)際應用情況。

　　一、光柵尺位移測量工作原理

　　光柵是由光源、透鏡、標尺光柵（主光柵）、指示光柵（副光柵）和光電元件組成。當主光柵和副光柵呈一很小的θ角相對傾斜重疊放置時(shí)，造成兩光柵尺上的線(xiàn)紋交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區域內黑線(xiàn)重疊形成明暗相間的莫爾條紋與光柵線(xiàn)紋幾乎成垂直方向排列。當標尺光柵相對主光柵沿垂直刻線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋跟隨其移動(dòng)。莫爾條紋的光強度近似呈正（余）弦曲線(xiàn)變化，經(jīng)光電元件所感應的光電流變化規律近似為正（余）弦曲線(xiàn)。經(jīng)放大器放大、整形電路整形，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數顯表計數顯示。

　　二、光柵數顯系統的硬件介紹

　　處理采集信號芯片選用AT89S51，它支持ISP在線(xiàn)編程功能，內部具有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計數器。鍵盤(pán)和顯示部分采用具有SPI串行接口功能且可同時(shí)驅動(dòng)8位共陰式數碼管的智能顯示驅動(dòng)芯片WH8280。它內部含有譯碼器，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，可段尋址。具有片選信號，可方便地實(shí)現多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤(pán)接口。光柵位移測量系統硬件主要有光柵辨向電路、AT89S51單片機、WH8280鍵盤(pán)和數碼管電路組成。位移測量系統原理框圖如圖1所示。

　　三、光柵尺的安裝注意事項

　　一般將主尺安裝在機床的工作臺上，讀數頭安裝在相對機床靜止部件上，盡量安裝在主尺的下方。安裝位置的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。

　　1、光柵傳感器的安裝基面

　　光柵尺用在舊機床改造時(shí)一般沒(méi)有理想的安裝面，需要加工制作合適的基座，材質(zhì)最好是經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的鑄鐵，以保證其變形小，幾何精度穩定，該基座要通過(guò)銑床、磨床加工。通過(guò)等高塊墊平或用定壓螺釘調整基座對機床導軌面的平行度，要求平行度為.1mm/1000mm以?xún)?。讀數頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時(shí)，調整讀數頭位置，達到讀數頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。

　　2、光柵傳感器的主尺安裝

　　用調節螺釘將光柵主尺上在工作臺安裝面基座上，千分表固定在床身，移動(dòng)工作臺，測量主尺平面與機床導軌運動(dòng)方向的平行度，調整螺釘，使主尺平行度滿(mǎn)足0.1mm/1000mm以?xún)葧r(shí)，把固定螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時(shí)，應注意光柵主尺超過(guò)1.5M以上時(shí)，不能只安裝兩端頭，需在主尺尺身中安裝支撐，最好用一個(gè)卡子卡住尺身中點(diǎn)（或幾點(diǎn)）。

圖1. 　光柵數顯系統

　　3、光柵傳感器讀數頭的安裝

　　讀數頭的安裝方法與主尺相似，讀數頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內，其讀數頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以?xún)取?/p>

　　4、光柵傳感器的限位裝置

　　光柵傳感器全部安裝完以后，為避免機床加工產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)讀數頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺，一定要在機床導軌上安裝限位裝置。

　　5、保護裝置的安裝

　　通過(guò)以上工作，光柵傳感器的安裝就完成了。但對于一般的機床加工環(huán)境來(lái)講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應附帶加裝護罩，護罩根據光柵傳感器的外形截面尺寸確定，通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。

　　四、光柵傳感器使用注意事項

　?。?）光柵傳感器與數顯表插頭座插拔時(shí)應關(guān)閉電源后進(jìn)行。

　?。?）及時(shí)清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異物進(jìn)入光柵傳感器殼體內部。

　?。?）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動(dòng)。

　?。?）為延長(cháng)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。

　?。?）應注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線(xiàn)條紋分布，引起測量誤差。

　?。?）光柵傳感器應盡量避免在有嚴重腐蝕作用的環(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。

　　五、效果及效益估算

　　在沒(méi)有裝數顯前，操作者需經(jīng)常停車(chē)反復測量尺寸以控制加工精度，受工人操作熟練程度影響較大。加裝數顯后可減少測量誤差帶來(lái)的影響，精度可以控制在0.01-0.03mm之內。以噴漿機減速箱體為例，在加裝數顯前需3個(gè)班（工時(shí)1300分鐘）才能完成，現在不到兩個(gè)班即可完成，提高效率40%。后來(lái)我廠(chǎng)的C5335、C5325立車(chē)、X53T銑床也相繼改裝了數顯系統，經(jīng)濟效益明顯。