1 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，如工件毛坏、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，抗十扰能力强，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AT89S51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CNC系统组成闭环控系统。
2 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1。当主光栅和标尺光栅旱一很小的e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旱正(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。光栅输出信弓一般为两路相角相差90°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。
图1光栅工作原理图
3 光栅尺位移的辨向原理
大部分被测物体的移动往往不是中一向的，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90°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2所示。
图2辨向电路原理图
将光栅尺输出相位相差90°的A, B两路方波信弓，送到辨向电路中去处理o A经反相后得到方波o A和A·经RC微分电路后得到两组光脉冲信5 A1和A1’分别加到与门Y1和Y2的输入端。假使当主光栅向左移动时光栅输出波形如图3所示，对于与门Y1，由于A1处于高电平时B总是低电平，故脉冲被阻塞Y1无输出。对与门Y2， A1'处于高电平时，B也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发D触发器使之置“1”。T1计数器对与门Y2输出的脉冲进行计数。同理，当主光栅反向移动时，与门Y2阻塞，Y1输出脉冲信弓使D触发器置“1 ”， AT89S51计数器TO对与门Y1输出的脉冲进行计数。这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，AT89S51计数器T0和T1所计之脉冲数之差代表光栅位移Xo若脉冲当量为以，则位移为:
图3光栅向左移动时辨向电路各点波形
X=(T0-T1)*d(1)
其中T0, T1分别表示计数器T0, T1计数值。
也就是说在信写A有效的时间内可以准确检测到信写B是高或低电平。
4 光栅位移测量系统的硬件实现
该位移测量系统采用COP-42-5光栅尺采集位移信写，光栅输出信写为TTL电平。处理采集信写芯片选用Atmel的AT89S51，89551芯片支持ISP在线编程功能，内部具有两个16位的定时器/计数器。键盘和显示部分木文采用了炜煌公司设计的、具有SPI串行接II功能且可同时驱动8位共阴式数码昔的智能撤示驱动芯片WH8280。WH8280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，可段守址。WH8280具有片选信写，可方便地实现多于8位的撤示或多于64键的键盘接口。串行接口无需外围元件可直接驱动LED， 64键键盘控制器内含去抖动电路。
(1)硬件电路设计
数控机床光栅位移测量系统硬件主要有光栅辨向电路、AT89S51中一片机、WH8280键盘和数码答电路组成。辨向电路图如图3。位移测量系统原理框图如图6所示。
图6 光栅尺位移测量系统的原理框图
(2)工作过程
COP-42-5光栅尺输出两路相角相差900的位移采集信号，经辨向电路得到一方波信号和一光脉冲信号，由于辨向电路输出的信弓是TTL电平，可将方波信弓和光脉冲信号分别接入AT89S51的T0和T1进行计数。WH8280采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并与CLK端同步。当片选信号CS变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入WH8280的缓冲寄存器，即单片机得到采集数据通过WH8280送数码答显示。
COP-42-5光栅尺分辨率为10}vm}即 100脉冲/mm(脉冲当量为0.01mm，以直线位移为例，若测量长度为20cm，则总共有20x10x100=2x104个脉冲，因此计数器工作与方式。即可。经实验测量误差不超过±10μm。
5 软件设计实现
本文利用Keil C51集成开发环境开发设计光栅尺位移测量系统软件。Neil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件71=发系统，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成71=发调试工具，全Windows界面，便于编成和调试。光栅测位移泉示程序主要包括读计数器T0, T1程序、泉示数据程序以及T0或T1溢出中断子程序。其中读取T0和T1的数据之差值后还需将其转换为万、千、百、十、个位数，以便LED按位泉示。将读取T0和T1的数据之差值存入30H。转换30H数据思想:30H-10000够减X次，则万位为X;差值-1000够减Y次，则千位为Y;差值-100够减Z次，则百位为Z;差值-10够减U次，则十位为U;差值为个位。关于小数点的控制，以直线位移为例，测量长度为200mm脉冲当量为0.01mm，若以毫米为显示示单位则测量显示数据有两位小数，因此可将小数点固定泉示。根据WH8280指令，令小数点控制位第二位点亮即可。WH8280指令中，位DP为小数点.Iv示位。DP=1,显示小数点;DP=0，则不显示。本文仅给出程序流程图如图7所示。
图4 光栅测位移显示程序流程图
6 结论
本测量系统的电路设计合理，结构简单，工作稳定、可靠，成本低，抗十扰能力强。由于光栅尺本身的分辨率可达10μm甚至0.1μm，已满足加工要求，本测量系统没有对光栅尺进行细分。该系统主要为高精密数控机床测量泉示而设计，也适用于一般要求的泉示测量位移的工作场合。该测量系统装置已在实验室SINUMERIK 802D数控机床上调试成功，且目前运行情况良好。
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