基于单片机AT89S51的光栅数显系统

电动铲运机前后机架、喷浆机减速箱体以及电机车减速箱体等矿用机械主要部件一般都需要在卧式镗床上加工。我厂的T612镗床经过近三十年的运行已老化严重，精度下降，不能满足高精度机械加工的要求。在对该设备大修时成功地对其进行了数显改造，安装了光栅数显系统，该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路、单片机相结合来完成对位移量的自动测量，并以数字显示位移量。下面介绍该系统的工作原理及实际应用情况。
   　　一、光栅尺位移测量工作原理
   　　光栅是由光源、透镜、标尺光栅（主光栅）、指示光栅（副光栅）和光电元件组成。当主光栅和副光栅呈一很小的θ角相对倾斜重叠放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。当标尺光栅相对主光栅沿垂直刻线移动时，莫尔条纹跟随其移动。莫尔条纹的光强度近似呈正（余）弦曲线变化，经光电元件所感应的光电流变化规律近似为正（余）弦曲线。经放大器放大、整形电路整形，得到两路相差为90°的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。
   
   　　二、光栅数显系统的硬件介绍
   　　处理采集信号芯片选用AT89S51，它支持ISP在线编程功能，内部具有两个16位的定时器/计数器。键盘和显示部分采用具有SPI串行接口功能且可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片WH8280。它内部含有译码器，可直接接受16进制码或BCD码，并同时具有2种译码方式，可段寻址。具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。光栅位移测量系统硬件主要有光栅辨向电路、AT89S51单片机、WH8280键盘和数码管电路组成。位移测量系统原理框图如图1所示。
   　　三、光栅尺的安装注意事项
   　　一般将主尺安装在机床的工作台上，读数头安装在相对机床静止部件上，尽量安装在主尺的下方。安装位置的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。
   　　1、光栅传感器的安装基面
   　　光栅尺用在旧机床改造时一般没有理想的安装面，需要加工制作合适的基座，材质最好是经过时效处理的铸铁，以保证其变形小，几何精度稳定，该基座要通过铣床、磨床加工。通过等高块垫平或用定压螺钉调整基座对机床导轨面的平行度，要求平行度为.1mm/1000mm以内。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。
   　　2、光栅传感器的主尺安装
   　　用调节螺钉将光栅主尺上在工作台安装面基座上，千分表固定在床身，移动工作台，测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整螺钉，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把固定螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意光栅主尺超过1.5M以上时，不能只安装两端头，需在主尺尺身中安装支撑，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。
   
图1. 　光栅数显系统

   
   　　3、光栅传感器读数头的安装
   　　读数头的安装方法与主尺相似，读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。
   　　4、光栅传感器的限位装置
   　　光栅传感器全部安装完以后，为避免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺，一定要在机床导轨上安装限位装置。
   
   　　5、保护装置的安装
   　　通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩根据光栅传感器的外形截面尺寸确定，通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。
   　　四、光栅传感器使用注意事项
   　　（1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。
   　　（2）及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。
   　　（3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。
   　　（4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。
   　　（5）为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。
   　　（6）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。
   　　（7）应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。
   　　（8）光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。
   　　五、效果及效益估算
   　　在没有装数显前，操作者需经常停车反复测量尺寸以控制加工精度，受工人操作熟练程度影响较大。加装数显后可减少测量误差带来的影响，精度可以控制在0.01-0.03mm之内。以喷浆机减速箱体为例，在加装数显前需3个班（工时1300分钟）才能完成，现在不到两个班即可完成，提高效率40%。后来我厂的C5335、C5325立车、X53T铣床也相继改装了数显系统，经济效益明显。