基于單片機(jī)AT89S51的光柵數(shù)顯系統(tǒng)

電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)前后機(jī)架、噴漿機(jī)減速箱體以及電機(jī)車減速箱體等礦用機(jī)械主要部件一般都需要在臥式鏜床上加工。我廠的T612鏜床經(jīng)過近三十年的運(yùn)行已老化嚴(yán)重，精度下降，不能滿足高精度機(jī)械加工的要求。在對(duì)該設(shè)備大修時(shí)成功地對(duì)其進(jìn)行了數(shù)顯改造，安裝了光柵數(shù)顯系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光柵移動(dòng)產(chǎn)生的莫爾條紋與電子電路、單片機(jī)相結(jié)合來完成對(duì)位移量的自動(dòng)測(cè)量，并以數(shù)字顯示位移量。下面介紹該系統(tǒng)的工作原理及實(shí)際應(yīng)用情況。

　　一、光柵尺位移測(cè)量工作原理

　　光柵是由光源、透鏡、標(biāo)尺光柵（主光柵）、指示光柵（副光柵）和光電元件組成。當(dāng)主光柵和副光柵呈一很小的θ角相對(duì)傾斜重疊放置時(shí)，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(duì)主光柵沿垂直刻線移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋跟隨其移動(dòng)。莫爾條紋的光強(qiáng)度近似呈正（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(shù)顯表計(jì)數(shù)顯示。

　　二、光柵數(shù)顯系統(tǒng)的硬件介紹

　　處理采集信號(hào)芯片選用AT89S51，它支持ISP在線編程功能，內(nèi)部具有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。鍵盤和顯示部分采用具有SPI串行接口功能且可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片WH8280。它內(nèi)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(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。光柵位移測(cè)量系統(tǒng)硬件主要有光柵辨向電路、AT89S51單片機(jī)、WH8280鍵盤和數(shù)碼管電路組成。位移測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　三、光柵尺的安裝注意事項(xiàng)

　　一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，讀數(shù)頭安裝在相對(duì)機(jī)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(jī)床改造時(shí)一般沒有理想的安裝面，需要加工制作合適的基座，材質(zhì)最好是經(jīng)過時(shí)效處理的鑄鐵，以保證其變形小，幾何精度穩(wěn)定，該基座要通過銑床、磨床加工。通過等高塊墊平或用定壓螺釘調(diào)整基座對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌面的平行度，要求平行度為.1mm/1000mm以內(nèi)。讀數(shù)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(diào)整讀數(shù)頭位置，達(dá)到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右，讀數(shù)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(diào)節(jié)螺釘將光柵主尺上在工作臺(tái)安裝面基座上，千分表固定在床身，移動(dòng)工作臺(tái)，測(cè)量主尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的平行度，調(diào)整螺釘，使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內(nèi)時(shí)，把固定螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時(shí)，應(yīng)注意光柵主尺超過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(shù)顯系統(tǒng)

　　3、光柵傳感器讀數(shù)頭的安裝

　　讀數(shù)頭的安裝方法與主尺相似，讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內(nèi)，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以內(nèi)。

　　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(jī)床加工產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺，一定要在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝限位裝置。

　　5、保護(hù)裝置的安裝

　　通過以上工作，光柵傳感器的安裝就完成了。但對(duì)于一般的機(jī)床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應(yīng)附帶加裝護(hù)罩，護(hù)罩根據(jù)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(xiàng)

　　（1）光柵傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源后進(jìn)行。

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

　?。?）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動(dòng)。

　　（4）為延長防塵密封條的壽命，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(yán)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(yīng)注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布，引起測(cè)量誤差。

　　（8）光柵傳感器應(yīng)盡量避免在有嚴(yán)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

　　在沒有裝數(shù)顯前，操作者需經(jīng)常停車反復(fù)測(cè)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(shù)顯后可減少測(cè)量誤差帶來的影響，精度可以控制在0.01-0.03mm之內(nèi)。以噴漿機(jī)減速箱體為例，在加裝數(shù)顯前需3個(gè)班（工時(shí)1300分鐘）才能完成，現(xiàn)在不到兩個(gè)班即可完成，提高效率40%。后來我廠的C5335、C5325立車、X53T銑床也相繼改裝了數(shù)顯系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。