计算机辅助光栅测量技术

　　目前的NC机床行业和电子机械设备上迫切需要一种具有较高的检测精度,又能实时传递数据给计算机或价格又较低的位移测量装置。由于光栅测量具有结构简单,测量精度较高,易于实现自动化和数字化等优点。所以它在精密位移测量中的应用已得到越来越多的重视。但目前的光栅测量装置,难以与计算机相连,数据处理不了。有的即使有数据输出给计算机接口,但要么是速度较慢,难于做到实时控制,要么是价格昂贵。

　　该文提出用单片计算机实行光栅辅助测量,用一种相对较容易的细分方法,既能满足实时通讯,又具有较高的细分精度和低廉的价格、性价比高等优点。

　　压信号Va( Vb)变化的周期数及信号目前一个周期内的位置,就可以相应地将信号细分并计算出光栅副移动的位移量,而Va、Vb可以通过A/D或V/F等方法用计算机检测。但在|Va|(或|Vb|)=1附近采样时,由于电压变化率较小,所以采样误差较大,为此我们采用正余弦函数转换成正余切函数作为采样曲线,见图1(b)。

　　从图1中我们明显可以看到tgθ、ctgθ不连续,但线性比正弦余弦函数要好的多,便于细分,精度较高,便于计算机处理;另外它消除了Va、Vb幅值Vm的变化因素。

　　如图2所示,则这曲线在0°~360°范围内连续,避免了断续点而且斜率绝对值小于1,线性度较好,。可以由该曲线tgθ、ctgθ值确定θ值。

　　1.2　细分计数

　　在细分计数方法上采用大数与小数分别计数的方法,即：

　　大数计数:每一个区间电位移角为45°,线位移为d/8。则只要光栅移动d/8位移,θ移动一个区间。当越过n个区间,则光栅副就越过n×d/8位移。电路检测光栅副移动的区间数。

　　小数计数:采取一个区间(d/8)内的采样细分计数法,这里首先要确定在哪个区间,然后通过A/D采样计算机处理获得位移值。

　　为简化计算,实际上可以将8个区间的采样曲线分成二个区间:奇数区间和偶数区间。所有奇数区间的函数是一致的,所有偶数区间的函数是一致的。

　　2　电路原理

　　电路有大数计数电路,采样曲线形成及细分电路,计算机控制和其它外部电路等组成,如图3所示。

　　2.1　大数计数电路

　　这部分由方波发生器、单稳态触发器、方向辨别器、可逆计数器等芯片组成。光栅读数头出来的电路信号Va、Vb经整形后,经过单稳态电路产生脉冲,再经辨向电路,形成一周期产生8个脉冲的正反二列脉冲序列P正和P反,送入由两片74LS193组成8位的二进制可逆计数器的加法位up和减法位down,计数器的溢出位Carry和借位位borrow送入计算计的计数器T0、T1端,计数器的数据线D0D7送入计算机的P0口,以便对计数器的暂存脉冲进行查询。计数器最多可存储28=256个脉冲。