單片機(jī)AT89S51光柵系統(tǒng)在機(jī)床改造中的應(yīng)用

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。工廠的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。在對該設(shè)備大修時(shí)成功地對其進(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)合來完成對位移量的自動(dòng)測量，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。位移測量系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

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13、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