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光柵是結(jié)合數(shù)碼科技與傳統(tǒng)印刷的技術(shù)，能在制的膠片上顯現(xiàn)不同的殊果。在平面上展示栩栩如生的立體，電影般的流暢動(dòng)畫(huà)片段，匪夷所思的幻變果。
光柵是張由條狀透鏡組成的薄片，當(dāng)我們從鏡頭的邊看過(guò)去，將看到在薄片另面上的條很細(xì)的線(xiàn)條上的圖像，而這條線(xiàn)的位置則由觀(guān)察角度來(lái)決定。如果我們將這數(shù)幅在不同線(xiàn)條上的圖像，對(duì)應(yīng)于每個(gè)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(dāng)我們從不同角度通過(guò)透鏡觀(guān)察，將看到不同的圖像。
光柵尺其實(shí)起到的作用是對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)起個(gè)的作用，在數(shù)控機(jī)床中常用來(lái)觀(guān)察其是否走刀有誤差，以起到個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)的誤差的補(bǔ)償作用，其實(shí)象人眼睛看到我切割偏沒(méi)偏的作用，然后可以給手起到個(gè)是否要調(diào)整我是否要改變用力的標(biāo)準(zhǔn)。
、引言
目前在密機(jī)加工和數(shù)控機(jī)庫(kù)中采用的密位稱(chēng)數(shù)控系統(tǒng)框圖。 隨著電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，光柵傳感器在位移測(cè)量系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，并逐步向智能化方向轉(zhuǎn)化。 利用光柵傳感器構(gòu)成的位移量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖。
該系統(tǒng)采用光柵移動(dòng)產(chǎn)生的莫爾條紋與電子電路以及單片機(jī)相結(jié)合來(lái)完成對(duì)位移量的自動(dòng)測(cè)量，它具有判別光柵移動(dòng)方向、預(yù)置初值、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位控制及過(guò)限報(bào)警、自檢和掉電保護(hù)以及溫度誤差修正等功能。下面對(duì)該系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計(jì)思想作以下介紹。
二、電子細(xì)分與判向電路
光柵測(cè)量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位稱(chēng)量進(jìn)行測(cè)量。目前高分辨率的光柵尺般造較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，本系統(tǒng)采用了電子細(xì)分方法。
當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線(xiàn)大致垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量，同量莫爾條紋又具有光學(xué)放大作用，其放大倍數(shù)為 ：
（1） 式中：W為莫爾條紋寬度；d為光柵柵距（節(jié)距）；θ為兩塊光柵的夾角，rad 在個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照定間隔放置4個(gè)光電器件能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與羊向功能。本系統(tǒng)采用的光柵尺柵線(xiàn)為50線(xiàn)對(duì)/mm，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖，這在般工業(yè)測(cè)控中已達(dá)到了很高度。由于位移是個(gè)矢量，即要其大小，又要其方向，因此少需要兩路相位不同的光電信號(hào)。為了共模干擾、直流分量和偶次諧波，我們采用了由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)滏電器件獲得的4路光電信號(hào)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(hào)其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形，先把它們整形為占空比為1：1的方波，經(jīng)由兩個(gè)與或非門(mén)74LS54芯片組成的四細(xì)分判向電路輸入可逆計(jì)數(shù)器，后送入由8031組成的單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理。
三、單片機(jī)與接口電路
為實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)和提高測(cè)量速度，系統(tǒng)采用了193可逆計(jì)數(shù)器。假設(shè)工作平臺(tái)運(yùn)行速度 為v，光柵傳感器柵距為d，細(xì)分?jǐn)?shù)為N，則計(jì)數(shù)脈沖的頻率為：
（2） 若v=1m/s,d=20μm,N=20，則f=1MHz，對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為1，顯然對(duì)于8031單片機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)為2μs是不能勝的。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器分頻后，可大大地提高測(cè)量速度。 由于193是4位二進(jìn)制輸出，為與單片機(jī)接口，把兩片193采用了級(jí)聯(lián)的方式，這樣多可計(jì)255個(gè)脈沖，若再來(lái)脈沖，進(jìn)位端或借位端將輸出個(gè)脈沖送到單片機(jī)T0、T1端計(jì)數(shù)，送到8031的信號(hào)不丟失。 本系統(tǒng)長(zhǎng)度大可測(cè)幾米（由光柵實(shí)際長(zhǎng)度決定），小分辨率為μm級(jí)，需要7個(gè)顯示數(shù)據(jù)。正向運(yùn)行時(shí)不顯示符號(hào)，反向運(yùn)行時(shí)需顯示"-"號(hào)，所以連同符號(hào)位，共需8個(gè)顯示塊。
為了符人們應(yīng)用習(xí)慣，顯示塊選用共陰LED。 為實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的智能化，設(shè)置了個(gè)2×8方式鍵盤(pán)矩陣，其中包括0～9共10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵：L/A長(zhǎng)度/角度轉(zhuǎn)稱(chēng)功能鍵；+/-符號(hào)轉(zhuǎn)換功能鍵；ΔT溫度誤差修正功能鍵；EXE執(zhí)行鍵；ENT預(yù)置鍵CE（清零鍵）。鍵盤(pán)、顯示器與單片機(jī)之間通過(guò)個(gè)接口芯片8155來(lái)連接。
其中，8155的PA口設(shè)置轔基本輸出方式，作為8位LED顯示的段碼線(xiàn)；PB口設(shè)為輸出方式，作為8位LED的位選線(xiàn)；PC口設(shè)為輸入方式，作為鍵盤(pán)的行掃描線(xiàn)。PB口俠選線(xiàn)每次選通1位顯示，每次顯示1ms，由于人眼視覺(jué)惰性，可產(chǎn)生8位顯示塊同時(shí)顯示現(xiàn)象。 由于從前置電路74LS54出來(lái)的脈沖經(jīng)過(guò)2片193分頻后，直接進(jìn)入8031的為大于255的"大"數(shù)，而小于255的"小"數(shù)是由兩片193輸出通過(guò)I/O接口輸入到8031內(nèi)部處理，這個(gè)I/O接口芯片是通過(guò)擴(kuò)展片8255實(shí)現(xiàn)的。
其中，8255PB口設(shè)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(shè)為輸出，作為系統(tǒng)并行BCD碼輸出。由于8031單片機(jī)無(wú)內(nèi)ROM，應(yīng)外擴(kuò)展片2732（4k EPROM）。只用PSEN片選，不增加地址譯碼。為鎖存8031P0口輸入的地址信號(hào)，在8031和2732之間需加片74LS373地址鎖存器。
四、軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)硬件電路和系統(tǒng)功能要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了軟件程序，由于采用了溫度誤差修正子程序，可使的度得到大大提高。光柵傳感器是光機(jī)電體化結(jié)構(gòu)，光柵尺是由玻璃制做，外殼是由型鋁材料。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，然會(huì)引起結(jié)構(gòu)尺寸改變導(dǎo)致光柵柵距的變化，帶來(lái)誤差。設(shè)定環(huán)境溫度為20℃時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)值，與標(biāo)準(zhǔn)值比較測(cè)出溫度變化時(shí)帶來(lái)的位移誤差值，即時(shí)測(cè)出位移誤差溫度殊性性曲線(xiàn)，由性曲線(xiàn)擬合出誤差溫度方程式，作為軟件溫度誤差修正的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件編制簡(jiǎn)潔，緊湊合理。
五、結(jié)論
根據(jù)上述硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)的測(cè)度可優(yōu)于±5μm，目前，我們研制的利用光柵傳感器進(jìn)行長(zhǎng)度、角度自動(dòng)測(cè)量的智能儀表已形成系列產(chǎn)品，分辨率可從20μm到1μm，具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于機(jī)庫(kù)改造和相關(guān)的光電尺寸與位置系統(tǒng)中。
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