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光柵尺工作原理及詳細介紹
 
      光柵:光柵是結合數碼科技與傳統印刷的技術,能在特制的膠片上顯現不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立體世界,電影般的流暢動畫片段,匪夷所思的幻變效果。  
    光柵是一張由條狀透鏡組成的薄片,當我們從鏡頭的一邊看過去,將看到在薄片另一面上的一條很細的線條上的圖像,而這條線的位置則由觀察角度來決定。如果我們將這數幅在不同線條上的圖像,對應于每個透鏡的寬度,分別按順序分行排列印刷在光柵薄片的背面上,當我們從不同角度通過透鏡觀察,將看到不同的圖像。  
    光柵尺:其實起到的作用是對刀具和工件的坐標起一個檢測的作用,在數控機床中常用來觀察其是否走刀有誤差,以起到一個補償刀具的運動的誤差的補償作用,其實就象人眼睛看到我切割偏沒偏的作用,然后可以給手起到一個是否要調整我是否要改變用力的標準。

    【相當于眼睛】

    一、引言
    目前在精密機加工和數控機庫中采用的精密位稱數控系統框圖。  
    隨著電子技術和單片機技術的發展,光柵傳感器在位移測量系統得到廣泛應用,并逐步向智能化方向轉化。
    利用光柵傳感器構成的位移量自動測量系統原理示意圖。該系統采用光柵移動產生的莫爾條紋與電子電路以及單片機相結合來完成對位移量的自動測量,它具有判別光柵移動方向、預置初值、實現自動定位控制及過限報警、自檢和掉電保護以及溫度誤差修正等功能。下面對該系統的工作原理及設計思想作以下介紹。
    二、電子細分與判向電路
    光柵測量位移的實質是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。目前高分辨率的光柵尺一般造價較貴,且制造困難。為了提高系統分辨率,需要對莫爾條紋進行細分,本系統采用了電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時,在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產生莫爾條紋,隨著光柵的移動,莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個數的測量,同量莫爾條紋又具有光學放大作用,其放大倍數為  :
    (1)  式中:W為莫爾條紋寬度;d為光柵柵距(節距);θ為兩塊光柵的夾角,rad
    在一個莫爾條紋寬度內,按照一定間隔放置4個光電器件就能實現電子細分與羊向功能。本系統采用的光柵尺柵線為50線對/mm,其光柵柵距為0.02mm,若采用四細分后便可得到分辨率為5μm的計數脈沖,這在一般工業測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量,即要檢測其大小,又要檢測其方向,因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波,我們采用了由低漂移運放構成的差分放大器。由4個滏電器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端,從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2,為得到判向和計數脈沖,需對這兩路信號進行整形,首先把它們整形為占空比為1:1的方波,經由兩個與或非門74LS54芯片組成的四細分判向電路輸入可逆計數器,最后送入由8031組成的單片機系統中進行處理。
    三、單片機與接口電路
    為實現可逆計數和提高測量速度,系統采用了193可逆計數器。假設工作平臺運行速度為v,光柵傳感器柵距為d,細分數為N,則計數脈沖的頻率為:
    (2)  若v=1m/s,d=20μm,N=20,則f=1MHz,對應計數時間間隔為1,顯然對于8031單片機系統的響應為2μs是不能勝任的。經可逆計數器分頻后,可大大地提高測量速度。
    由于193是4位二進制輸出,為與單片機接口,把兩片193采用了級聯的方式,這樣最多可計255個脈沖,若再來脈沖,進位端或借位端將輸出一個脈沖送到單片機T0、T1端計數,保證送到8031的信號不丟失。
    本系統長度最大可測幾米(由光柵實際長度決定),最小分辨率為μm級,需要7個顯示數據。正向運行時不顯示符號,反向運行時需顯示"-"號,所以連同符號位,共需8個顯示塊。為了符全人們應用習慣,顯示塊選用共陰極LED。
    為實現測量系統的智能化,設置了一個2×8方式鍵盤矩陣,其中包括0~9共10個數字鍵和6個功能鍵:L/A長度/角度轉稱功能鍵;+/-符號轉換功能鍵;ΔT溫度誤差修正功能鍵;EXE執行鍵;ENT預置鍵CE(清零鍵)。鍵盤、顯示器與單片機之間通過一個接口芯片8155來連接。其中,8155的PA口設置轔基本輸出方式,作為8位LED顯示的段碼線;PB口設為輸出方式,作為8位LED的位選線;PC口設為輸入方式,作為鍵盤的行掃描線。PB口俠選線每次選通1位顯示,每次顯示1ms,由于人眼視覺惰性,可產生8位顯示塊同時顯示現象。
    由于從前置電路74LS54出來的脈沖經過2片193分頻后,直接進入8031的僅為大于255的"大"數,而小于255的"小"數是由兩片193輸出通過I/O接口輸入到8031內部處理,這個I/O接口芯片是通過擴展一片8255實現的。其中,8255PB口設為基本輸入方式,PB0-PB3作為1#193輸入,PB4~PB7作為2#193輸入。PA口、PC口的低位設為輸出,作為系統并行BCD碼輸出。由于8031單片機無內ROM,應外擴展一片2732(4k  EPROM)。只用PSEN片選,不必增加地址譯碼。為鎖存8031P0口輸入的地址信號,在8031和2732之間需加一片74LS373地址鎖存器。
    四、軟件設計
    根據硬件電路和系統功能要求,我們設計了軟件程序,由于采用了溫度誤差修正子程序,可使檢測的精度得到大大提高。光柵傳感器是光機電一體化結構,光柵尺是由玻璃制做,外殼是由型鋁材料。當環境溫度變化時,必然會引起結構尺寸改變導致光柵柵距的變化,帶來檢測誤差。設定環境溫度為20℃時為檢測標準值,與標準值比較測出溫度變化時帶來的位移誤差值,即時測出位移誤差一溫度特殊性性曲線,由特性曲線擬合出誤差一溫度方程式,作為軟件溫度誤差修正的基礎。本系統軟件采用模塊化結構,軟件編制簡潔,緊湊合理。
    五、結論
    根據上述硬件電路和軟件設計,經實驗測試,系統的測精度可優于±5μm,目前,我們研制的利用光柵傳感器進行長度、角度自動測量的智能儀表已形成系列產品,分辨率可從20μm到1μm,具有性能穩定、抗干擾能力強、體積小、結構緊湊、成本低等優點,已成功地應用于機庫改造和相關的光電尺寸與位置檢測系統中。

    【光柵尺位移傳感器的介紹】

    一、位移傳感器基本原理  
    光柵位移傳感器的工作原理,是由一對光柵副中的主光柵(即標尺光柵)和副光柵(即指示光柵)進行相對位移時,在光的干涉與衍射共同作用下產生黑白相間(或明暗相間)的規則條紋圖形,稱之為莫爾條紋。經過光電器件轉換使黑白(或明暗)相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號,再經過放大器放大,整形電路整形后,得到兩路相差為90°的正弦波或方波,送入光柵數顯表計數顯示。  
    二、位移傳感器安裝方式  
    光柵線位移傳感器的安裝比較靈活,可安裝在機床的不同部位。  
    一般將主尺安裝在機床的工作臺(滑板)上,隨機床走刀而動,讀數頭固定在床身上,盡可能使讀數頭安裝在主尺的下方。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數頭朝上的方式安裝時,則必須增加輔助密封裝置。另外,一般情況下,讀數頭應盡量安裝在相對機床靜止部件上,此時輸出導線不移動易固定,而尺身則應安裝在相對機床運動的部件上(如滑板)。  
    1、位移傳感器安裝基面  
    安裝光柵線位移傳感器時,不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床身上,更不能安裝在打底涂漆的機床身上。光柵主尺及讀數頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。用千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導軌運動的方向平行度。千分表固定在床身上,移動工作臺,要求達到平行度為0.1mm/1000mm以內。如果不能達到這個要求,則需設計加工一件光柵尺基座。基座要求做到:①應加一根與光柵尺尺身長度相等的基座(最好基座長出光柵尺50mm左右)。②該基座通過銑、磨工序加工,保證其平面平行度0.1mm/1000mm以內。另外,還需加工一件與尺身基座等高的讀數頭基座。讀數頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于±0.2mm。安裝時,調整讀數頭位置,達到讀數頭與光柵尺尺身的平行度為0.1mm左右,讀數頭與光柵尺尺身之間的間距為1~1.5mm左右。  
    2、位移傳感器主尺安裝  
    將光柵主尺用M4螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上,但不要上緊,把千分表固定在床身上,移動工作臺(主尺與工作臺同時移動)。用千分表測量主尺平面與機床導軌運動方向的平行度,調整主尺M4螺釘位置,使主尺平行度滿足0.1mm/1000mm以內時,把M2螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時,應注意如下三點:  
    (1)  在裝主尺時,如安裝超過1.5M以上的光柵時,不能象橋梁式只安裝兩端頭,尚需在整個主尺尺身中有支撐。  
    (2)  在有基座情況下安裝好后,最好用一個卡子卡住尺身中點(或幾點)。  
    (3)  不能安裝卡子時,最好用玻璃膠粘住光柵尺身,使基尺與主尺固定好。  
    3、位移傳感器讀數頭的安裝  
    在安裝讀數頭時,首先應保證讀數頭的基面達到安裝要求,然后再安裝讀數頭,其安裝方法與主尺相似。最后調整讀數頭,使讀數頭與光柵主尺平行度保證在0.1mm之內,其讀數頭與主尺的間隙控制在1~1.5mm以內。  
    4、位移傳感器限位裝置  
    光柵線位移傳感器全部安裝完以后,一定要在機床導軌上安裝限位裝置,以免機床加工產品移動時讀數頭沖撞到主尺兩端,從而損壞光柵尺。另外,用戶在選購光柵線位移傳感器時,應盡量選用超出機床加工尺寸100mm左右的光柵尺,以留有余量。  
    5、位移傳感器檢查  
    光柵線位移傳感器安裝完畢后,可接通數顯表,移動工作臺,觀察數顯表計數是否正常。  
    在機床上選取一個參考位置,來回移動工作點至該選取的位置。數顯表讀數應相同(或回零)。另外也可使用千分表(或百分表),使千分表與數顯表同時調至零(或記憶起始數據),往返多次后回到初始位置,觀察數顯表與千分表的數據是否一致。  
    通過以上工作,光柵傳感器的安裝就完成了。但對于一般的機床加工環境來講,鐵屑、切削液及油污較多。因此,光柵傳感器應附帶加裝護罩,護罩的設計是按照光柵傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定,護罩通常采用橡皮密封,使其具備一定的防水防油能力。  
    三、位移傳感器使用注意事項  
    (1)光柵傳感器與數顯表插頭座插拔時應關閉電源后進行。  
    (2)盡可能外加保護罩,并及時清理濺落在尺上的切屑和油液,嚴格防止任何異物進入光柵傳感器殼體內部。  
    (3)定期檢查各安裝聯接螺釘是否松動。  
    (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。  
    (5)  為保證光柵傳感器使用的可靠性,可每隔一定時間用乙醇混合液(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。  
    (6)  光柵傳感器嚴禁劇烈震動及摔打,以免破壞光柵尺,如光柵尺斷裂,光柵傳感器即失效了。  
    (7)  不要自行拆開光柵傳感器,更不能任意改動主柵尺與副柵尺的相對間距,否則一方面可能破壞光柵傳感器的精度;另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對摩擦,損壞鉻層也就損壞了柵線,以而造成光柵尺報廢。  
    (8)  應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,引起測量誤差。  
    (9)  光柵傳感器應盡量避免在有嚴重腐蝕作用的環境中工作,以免腐蝕光柵鉻層及光柵尺表面,破壞光柵尺質量。
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