基于 &’()*%+ 的数控机床光栅尺位移测量系统

摘要：介绍了应用 &’()*%+ 单片机开发设计光栅尺位移测量系统的电路思路及软件设计方法。应用光栅位移传感器和辨向电路的

设计原理，开发设计了一套在线测量位移装置，该装置测量精度可达到-"."+//，实现了在机床加工过程中实时检测工件尺寸。

关键词：单片机；光栅尺；辩向电路；位移测量

+

引言

数控机床是制造业 不 可 缺 少 的 设 备 ， 它 的 应 用 是 制 造

业现代化的必然趋势。为了 提 高 我 国 制 造 技 术 水 平 ， 必 须

提高我国数控机床的占有率 。 根 据 我 国 国 情 ， 提 高 机 床 数

控化率主要途径是对旧机床 进 行 数 控 化 再 制 造 。 旧 机 床 进

行数控化再制造关键技术之 一 是 提 高 机 床 的 精 度 。 数 控 机

床 加 工 过 程 是 按 预 先 编 制 好 的 零 件 加 工 程 序 自 动 进 行 的 ，

不随实际加工状况变化而变 化 。 但 实 际 加 工 现 场 ， 通 常 存

在许多变量直接或间接地影 响 加 工 精 度 ， 如 工 件 毛 坯 、 余

量及其误差等。为提高数控 机 床 的 加 工 精 度 ， 有 必 要 为 其

配备在线测量装置。

在高精度的数控机 床 上 ， 可 以 使 用 光 栅 作 为 位 置 检 测

装 置 的 敏 感 元 件 。 光 栅 输 出 信 号 为 数 字 量 ， 数 据 不 受 温

度 、 时 间 的 影 响 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 它 是 一 种 定 值 式 传 感

器，测量精度取决于光栅刻 线 的 准 确 性 ， 能 够 动 态 而 高 精

度地测量直线位移，还可以 测 量 角 位 移 ， 是 一 种 比 较 理 想

的测量工具。

本文介绍的基于

&’()*%+

的数控机床光栅尺位移测量

系 统 ， 以 单 片 机 为 核 心 ， 以 光 栅 尺 为 敏 感 元 件 ， 结 构 简

单、工作可靠、体积小、制 作 成 本 低 。 该 测 量 系 统 适 用 于

测 量 数 控 机 床 加 工 过 程 中 的 直 线 位 移 和 角 位 移 ， 可 以 和

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系统组成闭环控系统

［

,

］

。

!

光栅尺位移测量工作原理

光栅是由光源、透 镜 、 主 光 栅 、 标 尺 光 栅 和 光 电 元 件

组 成 如 图

+

。 当 主 光 栅 和 标 尺 光 栅 呈 一 很 小 的

!

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 、 整

形 ， 形 成 脉 冲 。 光 栅 输 出 信 号 一 般 为 两 路 相 角 相 差

)"8

的

方波，因此可以通过记录这 两 路 方 波 的 个 数 来 测 量 位 移 的

方向和大小

［

+

］

。

$

光栅尺位移的辨向原理

大部分被测物体的 移 动 往 往 不 是 单 向 的 ， 既 有 正 向 运

动 ， 也 有 反 向 运 动 。 而 光 栅 输 出 信 号 为 两 路 相 位 相 差

)"8

的方波信号，不能直接辨别 物 体 的 运 动 的 方 向 。 可 以 通 过

设计硬件辨向电路来识辨物 体 的 运 动 方 向 。 辨 向 电 路 原 理

如图

!

所示。

将 光 栅 尺 输 出 相 位 相 差

)"8

的

&

、

9

两 路 方 波 信 号 ，

送到辨向电路中去处理。

&

经反相后得到方波。

&

和

&:

经

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微分电路后得到两组光脉冲信号

&+

和

&+:

分 别 加 到 与

门

<+

和

<!

的输入端。假使当主光栅向左移动时光栅输出

波形 如 图

$

所 示 ， 对 于 与 门

<+

， 由 于

&+

处 于 高 电 平 时

9

图 +

光栅工作原理图