單片機AT89S51光柵系統在機床改造中的應用

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。工廠(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。

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13、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