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．桂林機床股份有限公司，廣西 桂林 541001）

0 引言

在機械加工過程中，傳統(tǒng)檢測機床刀具位移量的方法是靠讀取機械標(biāo)尺上的刻度，這種方法的測量精度低。若在工作臺上安裝高精度位移傳感器，通過相應(yīng)的儀器將位移量實時顯示出來，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）的位移測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)和傳統(tǒng)機床的數(shù)字化改造。光柵位移測量系統(tǒng)的設(shè)計方案中主要包括［1～5］:光柵位移信號處理電路、控制單元、顯示電路及功能鍵。這些方案都是測量一維或二維坐標(biāo)，并沒有提出三維的測量方案。另外，這些方案的實現(xiàn)各不相同，也存在不足的地方。例如:對于光柵位移信號處理電路，文獻［1］使用的是4個D觸發(fā)器、2個三輸入與門和1個JK觸發(fā)器構(gòu)成，其不足點之一是沒有細分功能［6］，測量分辨率不夠高;文獻［2］的設(shè)計中使用4路數(shù)據(jù)選擇器74HC153和4個D觸發(fā)器74HC175構(gòu)成判向與細分電路，但經(jīng)實驗驗證，該方案的細分效果沒有達到要求，遺漏了部分位移計數(shù)脈沖。

為了檢測三維的光柵位移，本文先分析了光柵位移傳感器的測量原理，隨后給出三維光柵位移測量系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)架，詳細介紹了系統(tǒng)硬件的各功能電路的設(shè)計與實現(xiàn)，并通過實驗驗證了系統(tǒng)設(shè)計合理、運行穩(wěn)定、測量精確。

1 光柵位移傳感器測量原理

對于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很小的夾角θ，形成一個光柵副。當(dāng)光線照射光柵副時，在刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶;而在刻線錯開的地方，柵線相互擋光，光線無法透過，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。

對理想的光柵莫爾條紋信號，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），因此，可以用傅里葉級數(shù)來表示該信號。以f（x）表示此三角波的光通量，則有

其中

該信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，形成以時間t為自變量的電壓（或電流）信號

其中

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

實際上，因為光柵莫爾條紋已經(jīng)是近似正弦波的信號，其基波成分豐富，諧波成分很少。消除信號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光電元件輸出的位移信號表達式。

在相距為1/4莫爾條紋間距的2個點分別安放一個光電元件，每當(dāng)標(biāo)尺光柵移動一個柵距，將獲得一個周期、相差90°的兩路正弦信號，形如式（4）表示。此信號經(jīng)過放大、整形后，輸出一個周期、相差90°的兩路方波信號。通過記錄這兩路方波脈沖的個數(shù)即可測量出位移的大小，利用其相位關(guān)系可檢測出標(biāo)尺光柵移動的方向［8］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(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，將輸出兩路相差90°，TTL電平的方波信號（標(biāo)尺光柵正移，A路信號超前B路信號90°;標(biāo)尺光柵反移，B路信號超前A路信號90°），其波形如圖1。

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

三維光柵位移測量系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖2所示。

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

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

該系統(tǒng)的X，Y，Z三個坐標(biāo)軸的光柵位移信號，輸入到相應(yīng)的細分辨向電路X，Y，Z。當(dāng)標(biāo)尺光柵正向移動時，細分辨向電路一輸出端輸出正向位移脈沖;反向移動時，其另一輸出端輸出反向位移脈沖。這正、反位移脈沖信號分別輸入到對應(yīng)單片機X，Y，Z的2個計數(shù)器T0，T1，以對正、反位移脈沖計數(shù)。由此得光柵尺的位移s為

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

單片機計算出位移量，由顯示電路實時顯示位移值。為了對系統(tǒng)進行必要的操控，設(shè)計了由單片機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，或者進行其它的操控。

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

設(shè)計中，每個坐標(biāo)軸設(shè)計了一個分辨率調(diào)整鍵，通過此鍵，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 細分辨向電路設(shè)計

光柵尺輸出的位移信號，并不能直接送到單片機進行檢測位移，需要先經(jīng)過細分辨向電路后，再送到單片機進一步的處理。

細分電路的作用是提高位移測量的分辨率，對于方波的光柵位移信號，其細分數(shù)（倍頻數(shù)）最多為4，稱四細分。對于柵距為20 μm的光柵尺，其原位移脈沖當(dāng)量為20 μm，經(jīng)過四細分電路后，其脈沖當(dāng)量將變?yōu)?μm，比原來提高了4倍，即分辨率提高了4倍。單片機無法直接從光柵尺輸出的原始信號識別光柵尺的移動方向，需要通過辨向電路對原信號處理，得到單片機可以識別移動方向的位移信號。

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

從圖3可見，當(dāng)光柵尺正向移動時，Y1輸出原位移信號四倍頻后的脈沖，Y2則無脈沖輸出;反向移動時，Y2輸出原位移信號四倍頻后脈沖，Y1則無脈沖輸出。由此可見，Y1，Y2就是所求的光柵位移信號經(jīng)過四倍頻和辨向后輸出的兩路正、反位移脈沖。

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

2．2 主控電路設(shè)計

主控電路主要由4片單片機（X，Y，Z，M）組成，它們構(gòu)成一個多機通信系統(tǒng)，其中，X，Y，Z為從機，M作為主機。從機X，Y，Z處理各軸細分辨向電路輸進來的位移脈沖信號，計算位移并把位移送顯示電路顯示，同時處理控制電路的控制信號。主機M依次和3個從機進行通信，以提取各個坐標(biāo)軸的位移值，上傳到上位機。

單片機的選型為STC12C5A60S2，其具有雙串口。主機的串口1用于多機通信，串口2則與上位機通信。從機只使用串口1進行多機通信，P1，P2口分別和鍵盤接口和顯示接口相接（P2口只需其中3個引腳分別與顯示驅(qū)動芯片的片選、時鐘、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

每個坐標(biāo)的顯示電路采用2個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)動芯片。該驅(qū)動芯片可以直接驅(qū)動八位共陰數(shù)碼管（1 in以下）;具有左移、右移、閃爍、消隱、段點亮等功能;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I/O口）。八位數(shù)碼管的最高1位顯示符號，接下來的6位顯示位移，最低一位留作分辨率小于1μm時位移顯示使用。

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

控制電路為從機X，Y，Z所共用，但并不能同時共用，某一時間只能是某一從機占用。通過一個坐標(biāo)控制切換鍵選擇其中一個從機占用鍵盤，另外2個則失去控制功能?？刂齐娐返脑O(shè)計主要使用雙向開關(guān)芯片（bilateral switch）CD4066和十進制計數(shù)器/脈沖分配器（decade counter/divider）CD4017構(gòu)成，具體實現(xiàn)電路如圖7所示。

圖7 控制電路Fig 7 Control circuit

3 實驗與結(jié)果

制作了3個模塊化的電路樣板，分別是細分辨向電路板、主控電路板和顯示控制電路板，由這3個模塊搭建成一個三維光柵位移測量實驗系統(tǒng)。上位機使用串口調(diào)試助手接收下位機（主機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)實驗調(diào)試，電路工作正常，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、測量精確。

表1中收到的位移數(shù)據(jù)并沒有連續(xù)變化，這是因為下位機延時上傳的緣故，以緩解數(shù)據(jù)通信的壓力。實驗中只使用1把光柵尺，接入到X坐標(biāo)，故實驗數(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，也可測得相應(yīng)的位移，也就是說該系統(tǒng)實現(xiàn)了三維光柵位移測量。

4 結(jié)束語

根據(jù)機床上精密測量的需求，設(shè)計了三維光柵位移測量系統(tǒng)。系統(tǒng)的各功能電路工作正常，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、測量準確。本系統(tǒng)除了測量三維的位移外，還可以直接用于測量一維或二維的位移，也可對其進行一些改動，制成專門用于一維或二維的測量系統(tǒng)。

［1］ 劉翠玲，趙 權(quán)，劉天亮．基于AT89C52的多路光柵智能測控儀［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2006（1）:15 －17．

［2］ 鄭明遠，林耿杰，許立梓．基于光柵的單片機精密測量系統(tǒng)［J］．廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，19（4）:20 －24．

［3］ 張百海，柴森春．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中光柵尺信號處理方法的研究［J］．機床與液壓，2003（2）:118－119．

［4］ 屠恒海．嵌入式光柵數(shù)顯測量系統(tǒng)的研究［D］．哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2008:11－14．

［5］ 繩紅強，汪世益．基于AT89S51的數(shù)控機床光柵尺位移測量系統(tǒng)［J］．機電工程技術(shù)，2006，35（6）:47 －49．

［6］ 謝文和．傳感技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京:高等教育出版社，2004:168－174．

［7］ 呂孟軍．光柵莫爾條紋電子學(xué)細分技術(shù)研究［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2008:1－2．

［8］ 凌 睿，高富強．基于CPLD的光柵尺位移測量系統(tǒng)［J］．自動化與儀表技術(shù)，2005（1）:40－42．