基于激光鼠标传感芯片组的机床位移测量仪

　　0　引言

　　在机械加工过程中,位移的检测非常重要,可以保证更好的加工质量和加工效率。目前光栅尺和感应同步器都基于位移量变换的脉冲计数[1-2],价格昂贵。机床的数控设计和手动机床的数控改造,需要一种保证精度、操作方便、经济实用的位移测量系统。设计了一种基于激光反射原理的实时位移、坐标测量仪,可以作为一种高性价比测量仪应用于各种机床设备的数控设计中。

　　1　测量仪原理

　　测量仪由动尺、定尺2部分组成,如图1所示。用一束激光照射到动尺表面,反射后产生干涉现象,在表面不同位置形成不同的干涉图样。在相对运动过程中,用一高速(7 080 fps)摄像器件拍摄下这些表征动尺表面性质的干涉图样,送到DSP对相邻2帧图象比较处理, DSP算法见文献[3-4],得到相邻帧的位移间隔数n, n值依据运动方向可正可负。每个间隔的位移值就是测量仪的最小分辨率,测量仪图象采集器件的分辨率为2 000 cpi[5]。通过单片机做式(1)处理得到位移值。如果在X、Y2个方向分别放置一个测量仪,恰当选取位移零点,可得二维运动的实时坐标,从而实现机床工作位移实时测量。

　　式中:S表示总位移;n_i表示第i个相邻帧间隔数。

　　2　测量仪硬件设计

　　测量仪动尺由激光器和透镜组成的光学系统、传感器位置感应、单片机处理控制、串口通信、数显电路组成。主要器件采用高性能激光鼠标芯片套装[5](包含850 nm单模垂直腔面发射激光器、集成DSP的ADNS6010高性能可编程传感芯片组)、含SPI总线和看门狗的AT89S53单片机[6],硬件电路图如图2所示。

　　2. 1　激光器驱动电路设计

　　ADNV6340型激光器为单模垂直腔面发射激光器,发射波长为832~865 nm,典型最大发射功率4_·5 W.正常模式下,ADNS6010产生激光器驱动电流,测量仪RBIN取值18_·7 kΩ.激光器驱动电路如图3所示。

　　2. 2　AT89S53与ADNS6010的接口设计ADNS6010各引脚功能见文献[5],内有SPI硬件模块,AT89S53也带有SPI模块,对应连接MISO、MOSI、SCLK、片选NCS四线实现内部各寄存器数据交换。通过控制ADNSN6010的NPD、RESETLASER-NEN、XY-LASER引脚,分别实现系统的低功耗设置、复位、激光器使能和激光器电流控制。ADNS6010需要在上电时装载内部程序SROM,大小为1986Byte,需将SROM提前烧写到外部EEPROM内。

　　2. 3　其他模块设计

　　坐标值返回时刻和仪器参考零点选择分别由2个外部中断决定,一个来自机床电机驱动系统,一个来自机械原点感应器件。一般情况下,中断信号的脉冲高于5 V,需电平转换后再送给AT89S53处理。显示模块采用静态显示方式, 4位LED分别由4只74HC595驱动,与ADNS6010复用SPI总线,显示数值单位为μm.坐标值输出给其他控制设备采用串行通信,通过MAX232和DB-9接口实现。