三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李深德，張向利，陶 晗，韋禮凱

（1．桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004;2．桂林機(jī)床股份有限公司，廣西 桂林 541001）

0 引言

在機(jī)械加工過(guò)程中，傳統(tǒng)檢測(cè)機(jī)床刀具位移量的方法是靠讀取機(jī)械標(biāo)尺上的刻度，這種方法的測(cè)量精度低。若在工作臺(tái)上安裝高精度位移傳感器，通過(guò)相應(yīng)的儀器將位移量實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，將使加工精度大幅提高。

當(dāng)前，基于光柵位移傳感器（光柵尺）的位移測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)和傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)字化改造。光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中主要包括［1～5］:光柵位移信號(hào)處理電路、控制單元、顯示電路及功能鍵。這些方案都是測(cè)量一維或二維坐標(biāo)，并沒(méi)有提出三維的測(cè)量方案。另外，這些方案的實(shí)現(xiàn)各不相同，也存在不足的地方。例如:對(duì)于光柵位移信號(hào)處理電路，文獻(xiàn)［1］使用的是4個(gè)D觸發(fā)器、2個(gè)三輸入與門和1個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成，其不足點(diǎn)之一是沒(méi)有細(xì)分功能［6］，測(cè)量分辨率不夠高;文獻(xiàn)［2］的設(shè)計(jì)中使用4路數(shù)據(jù)選擇器74HC153和4個(gè)D觸發(fā)器74HC175構(gòu)成判向與細(xì)分電路，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案的細(xì)分效果沒(méi)有達(dá)到要求，遺漏了部分位移計(jì)數(shù)脈沖。

為了檢測(cè)三維的光柵位移，本文先分析了光柵位移傳感器的測(cè)量原理，隨后給出三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)架，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件的各功能電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量精確。

1 光柵位移傳感器測(cè)量原理

對(duì)于2塊柵距相同的標(biāo)尺光柵和指示光柵，將其刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留很小的間隙，且使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角θ，形成一個(gè)光柵副。當(dāng)光線照射光柵副時(shí)，在刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶;而在刻線錯(cuò)開(kāi)的地方，柵線相互擋光，光線無(wú)法透過(guò)，形成暗帶。這種亮帶和暗帶就形成明暗相間的條紋，即莫爾條紋［6～7］。在理想條件下，莫爾條紋的波形為等腰三角波，其周期為莫爾條紋間距L［6］;實(shí)際情況下，由于光源發(fā)散角的影響和光柵衍射作用等，使莫爾條紋的三角波出現(xiàn)削頂和削底，形成近似的正弦波。

對(duì)理想的光柵莫爾條紋信號(hào)，其波形是以莫爾條紋間距L為周期的三角波（即以L為周期的非正弦信號(hào)），因此，可以用傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示該信號(hào)。以f（x）表示此三角波的光通量，則有

其中

該信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，形成以時(shí)間t為自變量的電壓（或電流）信號(hào)

其中

式中 ω為光柵信號(hào)的角頻（由標(biāo)尺光柵和指示光柵間的相對(duì)速度決定），T為光柵信號(hào)的周期。

實(shí)際上，因?yàn)楣鈻拍獱枟l紋已經(jīng)是近似正弦波的信號(hào)，其基波成分豐富，諧波成分很少。消除信號(hào)中的高次諧波和直流分量后，得

寫成電壓形式，得

式（4）即為光柵位移傳感器中一個(gè)光電元件輸出的位移信號(hào)表達(dá)式。

在相距為1/4莫爾條紋間距的2個(gè)點(diǎn)分別安放一個(gè)光電元件，每當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，將獲得一個(gè)周期、相差90°的兩路正弦信號(hào)，形如式（4）表示。此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形后，輸出一個(gè)周期、相差90°的兩路方波信號(hào)。通過(guò)記錄這兩路方波脈沖的個(gè)數(shù)即可測(cè)量出位移的大小，利用其相位關(guān)系可檢測(cè)出標(biāo)尺光柵移動(dòng)的方向［8］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用的光柵位移傳感器為信和公司（SINO）的KA300—470。其正常工作時(shí)，將輸出兩路相差90°，TTL電平的方波信號(hào)（標(biāo)尺光柵正移，A路信號(hào)超前B路信號(hào)90°;標(biāo)尺光柵反移，B路信號(hào)超前A路信號(hào)90°），其波形如圖1。

圖1 兩路相差90°，TTL電平的方波信號(hào)Fig 1 Dual square wave with 90°phase difference and TTL level

三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig 2 Bolck diagram of three-dimensional grating displacement measurement system

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，主要包括了細(xì)分辨向電路（光柵信號(hào)處理電路）、主控電路、顯示電路及控制電路的設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)的X，Y，Z三個(gè)坐標(biāo)軸的光柵位移信號(hào)，輸入到相應(yīng)的細(xì)分辨向電路X，Y，Z。當(dāng)標(biāo)尺光柵正向移動(dòng)時(shí)，細(xì)分辨向電路一輸出端輸出正向位移脈沖;反向移動(dòng)時(shí)，其另一輸出端輸出反向位移脈沖。這正、反位移脈沖信號(hào)分別輸入到對(duì)應(yīng)單片機(jī)X，Y，Z的2個(gè)計(jì)數(shù)器T0，T1，以對(duì)正、反位移脈沖計(jì)數(shù)。由此得光柵尺的位移s為

其中，t0，t1分別為計(jì)數(shù)器T0，T1的計(jì)數(shù)值，d為輸入到計(jì)數(shù)器的光柵位移信號(hào)的脈沖當(dāng)量，μm。

單片機(jī)計(jì)算出位移量，由顯示電路實(shí)時(shí)顯示位移值。為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的操控，設(shè)計(jì)了由單片機(jī)X，Y，Z共用的控制電路，它可以分別設(shè)定各坐標(biāo)軸位移的初值，或者進(jìn)行其它的操控。

單片機(jī)M和單片機(jī)X，Y，Z組成一個(gè)主從式單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)，M為主機(jī)，X，Y，Z為從機(jī)。主機(jī)M依次和3個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信，以提取各個(gè)坐標(biāo)軸的位移值，再統(tǒng)一上傳到上位機(jī)，進(jìn)行相關(guān)的處理。

設(shè)計(jì)中，每個(gè)坐標(biāo)軸設(shè)計(jì)了一個(gè)分辨率調(diào)整鍵，通過(guò)此鍵，可更改軟件中的分辨率的值，使該系統(tǒng)可適用于不同的分辨率的光柵尺，所設(shè)定的分辨率由相應(yīng)的指示燈顯示。

2．1 細(xì)分辨向電路設(shè)計(jì)

光柵尺輸出的位移信號(hào)，并不能直接送到單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)位移，需要先經(jīng)過(guò)細(xì)分辨向電路后，再送到單片機(jī)進(jìn)一步的處理。

細(xì)分電路的作用是提高位移測(cè)量的分辨率，對(duì)于方波的光柵位移信號(hào)，其細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）最多為4，稱四細(xì)分。對(duì)于柵距為20 μm的光柵尺，其原位移脈沖當(dāng)量為20 μm，經(jīng)過(guò)四細(xì)分電路后，其脈沖當(dāng)量將變?yōu)?μm，比原來(lái)提高了4倍，即分辨率提高了4倍。單片機(jī)無(wú)法直接從光柵尺輸出的原始信號(hào)識(shí)別光柵尺的移動(dòng)方向，需要通過(guò)辨向電路對(duì)原信號(hào)處理，得到單片機(jī)可以識(shí)別移動(dòng)方向的位移信號(hào)。

圖3 邏輯變量波形Fig 3 Waveform of logical variable

從圖3可見(jiàn)，當(dāng)光柵尺正向移動(dòng)時(shí)，Y1輸出原位移信號(hào)四倍頻后的脈沖，Y2則無(wú)脈沖輸出;反向移動(dòng)時(shí)，Y2輸出原位移信號(hào)四倍頻后脈沖，Y1則無(wú)脈沖輸出。由此可見(jiàn)，Y1，Y2就是所求的光柵位移信號(hào)經(jīng)過(guò)四倍頻和辨向后輸出的兩路正、反位移脈沖。

圖4 四細(xì)分辨向電路Fig 4 Circuit for four-subdivision and direction discrimination

2．2 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路主要由4片單片機(jī)（X，Y，Z，M）組成，它們構(gòu)成一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)，其中，X，Y，Z為從機(jī)，M作為主機(jī)。從機(jī)X，Y，Z處理各軸細(xì)分辨向電路輸進(jìn)來(lái)的位移脈沖信號(hào)，計(jì)算位移并把位移送顯示電路顯示，同時(shí)處理控制電路的控制信號(hào)。主機(jī)M依次和3個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信，以提取各個(gè)坐標(biāo)軸的位移值，上傳到上位機(jī)。

單片機(jī)的選型為STC12C5A60S2，其具有雙串口。主機(jī)的串口1用于多機(jī)通信，串口2則與上位機(jī)通信。從機(jī)只使用串口1進(jìn)行多機(jī)通信，P1，P2口分別和鍵盤接口和顯示接口相接（P2口只需其中3個(gè)引腳分別與顯示驅(qū)動(dòng)芯片的片選、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)引腳相接）。主控電路示意圖如圖5。

圖5 主控電路示意圖Fig 5 Diagram of main control circuit

2．3 顯示電路設(shè)計(jì)

每個(gè)坐標(biāo)的顯示電路采用2個(gè)4位連體共陰數(shù)碼管作為顯示器件，使用芯片ZLG7289B做為數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片。該驅(qū)動(dòng)芯片可以直接驅(qū)動(dòng)八位共陰數(shù)碼管（1 in以下）;具有左移、右移、閃爍、消隱、段點(diǎn)亮等功能;與控制器間采用SPI串行總線接口，操作方便，占用I/O資源少（只需3個(gè)I/O口）。八位數(shù)碼管的最高1位顯示符號(hào)，接下來(lái)的6位顯示位移，最低一位留作分辨率小于1μm時(shí)位移顯示使用。

圖6 X坐標(biāo)顯示電路Fig 6 Display circuit for X-coordinate

2．4控制電路設(shè)計(jì)

控制電路為從機(jī)X，Y，Z所共用，但并不能同時(shí)共用，某一時(shí)間只能是某一從機(jī)占用。通過(guò)一個(gè)坐標(biāo)控制切換鍵選擇其中一個(gè)從機(jī)占用鍵盤，另外2個(gè)則失去控制功能?？刂齐娐返脑O(shè)計(jì)主要使用雙向開(kāi)關(guān)芯片（bilateral switch）CD4066和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器（decade counter/divider）CD4017構(gòu)成，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖7所示。

圖7 控制電路Fig 7 Control circuit

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

制作了3個(gè)模塊化的電路樣板，分別是細(xì)分辨向電路板、主控電路板和顯示控制電路板，由這3個(gè)模塊搭建成一個(gè)三維光柵位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。上位機(jī)使用串口調(diào)試助手接收下位機(jī)（主機(jī)M）上傳到的三維光柵位移數(shù)據(jù)，表1給出了接收到的數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，電路工作正常，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量精確。

表1中收到的位移數(shù)據(jù)并沒(méi)有連續(xù)變化，這是因?yàn)橄挛粰C(jī)延時(shí)上傳的緣故，以緩解數(shù)據(jù)通信的壓力。實(shí)驗(yàn)中只使用1把光柵尺，接入到X坐標(biāo)，故實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只有X坐標(biāo)的位移值，另外兩坐標(biāo)的全是0。當(dāng)光柵尺接入Y或Z坐標(biāo)時(shí)，也可測(cè)得相應(yīng)的位移，也就是說(shuō)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維光柵位移測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)機(jī)床上精密測(cè)量的需求，設(shè)計(jì)了三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)的各功能電路工作正常，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確。本系統(tǒng)除了測(cè)量三維的位移外，還可以直接用于測(cè)量一維或二維的位移，也可對(duì)其進(jìn)行一些改動(dòng)，制成專門用于一維或二維的測(cè)量系統(tǒng)。

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