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基于单片机AT89S51的光栅数显系统
[导读]电动铲运机前后机架、喷浆机减速箱体以及电机车减速箱体等矿用机械主要部件一般都需要在卧式镗床上加工。我厂的T612镗床经过近三十年的运行已老化严重，精度下降，不能满足高精度机械加工的要求。在对该设备大修时成
电动铲运机前后机架、喷浆机减速箱体以及电机车减速箱体等矿用机械主要部件一般都需要在卧式镗床上加工。我厂的T612镗床经过近三十年的运行已老化严重，精度下降，不能满足高精度机械加工的要求。在对该设备大修时成功地对其进行了数显改造，安装了光栅数显系统，该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路、单片机相结合来完成对位移量的自动测量，并以数字显示位移量。下面介绍该系统的工作原理及实际应用情况。
　　一、光栅尺位移测量工作原理
　　光栅是由光源、透镜、标尺光栅（主光栅）、指示光栅（副光栅）和光电元件组成。当主光栅和副光栅呈一很小的&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呈正（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。经放大器放大、整形电路整形，得到两路相差为90&的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。
　　二、光栅数显系统的硬件介绍
　　处理采集信号芯片选用AT89S51，它支持ISP在线编程功能，内部具有两个16位的定时器/计数器。键盘和显示部分采用具有SPI串行接口功能且可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片WH8280。它内部含有译码器，可直接接受16进制码或BCD码，并同时具有2种译码方式，可段寻址。具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。光栅位移测量系统硬件主要有光栅辨向电路、AT89S51单片机、WH8280键盘和数码管电路组成。位移测量系统原理框图如图1所示。
　　三、光栅尺的安装注意事项
　　一般将主尺安装在机床的工作台上，读数头安装在相对机床静止部件上，尽量安装在主尺的下方。安装位置的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。
　　1、光栅传感器的安装基面
　　光栅尺用在旧机床改造时一般没有理想的安装面，需要加工制作合适的基座，材质最好是经过时效处理的铸铁，以保证其变形小，几何精度稳定，该基座要通过铣床、磨床加工。通过等高块垫平或用定压螺钉调整基座对机床导轨面的平行度，要求平行度为.1mm/1000mm以内。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于&0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。
　　2、光栅传感器的主尺安装
　　用调节螺钉将光栅主尺上在工作台安装面基座上，千分表固定在床身，移动工作台，测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整螺钉，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把固定螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意光栅主尺超过1.5M以上时，不能只安装两端头，需在主尺尺身中安装支撑，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。
图1. 　光栅数显系统
　　3、光栅传感器读数头的安装
　　读数头的安装方法与主尺相似，读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。
　　4、光栅传感器的限位装置
　　光栅传感器全部安装完以后，为避免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺，一定要在机床导轨上安装限位装置。
　　5、保护装置的安装
　　通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩根据光栅传感器的外形截面尺寸确定，通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。
　　四、光栅传感器使用注意事项
　　（1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。
　　（2）及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。
　　（3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。
　　（4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。
　　（5）为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。
　　（6）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。
　　（7）应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。
　　（8）光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。
　　五、效果及效益估算
　　在没有装数显前，操作者需经常停车反复测量尺寸以控制加工精度，受工人操作熟练程度影响较大。加装数显后可减少测量误差带来的影响，精度可以控制在0.01-0.03mm之内。以喷浆机减速箱体为例，在加装数显前需3个班（工时1300分钟）才能完成，现在不到两个班即可完成，提高效率40%。后来我厂的C5335、C5325立车、X53T铣床也相继改装了数显系统，经济效益明显。
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光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是利用的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅尺按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。
光栅尺结构
光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床固定部件上，光栅读数头装在机床活动部件上，指示光栅装在光栅读数头中。右图所示的就是光栅尺的结构。[1]
光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光
光栅尺外观
源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）。
光栅检测装置
光栅尺工作原理
光栅尺莫尔条纹
以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (右图所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。
W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ 。[1]
莫尔条纹具有以下特征：
(1)莫尔条纹的变化规律
两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。
(2)放大作用
在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系。式中，θ的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sinθ很小，则
若ω =0．01mm，θ=0.01rad，则上式可得W=1，即光栅放大了100倍。
(3)均化误差作用
莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。
光栅尺检测与数据处理
电子细分与判向法
光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前（2006年）光栅尺传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。
在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以等到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以等到光栅尺的位移和速度。[2]
光栅尺安装指导
光栅尺线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。
一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。
1、光栅尺线位移传感器安装基面
安装光栅尺传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。
基座要求做到：(1)应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基座长出光栅尺50mm左右）。(2)该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。
2、光栅尺线位移传感器主尺安装
将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。
在安装光栅主尺时，应注意如下三点：
(1) 在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。(2)在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。(3)不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。
3、光栅尺线位移传感器读数头的安装
在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。
4、光栅尺线位移传感器限位装置
光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。
5、光栅尺线位移传感器检查
光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。
在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。
通过以上工作，光栅尺线位移传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。因此，传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。[2]
光栅尺使用注意事项
（1）光栅尺传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。
（2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅尺传感器壳体内部。
（3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。
（4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。
（5） 为保证光栅尺传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。
（6） 光栅尺传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅尺传感器即失效了。
（7） 不要自行拆开光栅尺传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅尺传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。
（8） 应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。
（9） 光栅尺传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。
《教育部高职高专规划教材 数控机床控制技术基础》作者: 赵俊生主编 第:66页数显光栅尺- 万濠数显光栅尺
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新品名称：数显光栅尺
新品类型：名牌延伸型新产品
新品型号：WE6800
新品产地：东莞
新品品牌：万濠
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价格说明：－－－－
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公司名称：
经营模式：贸易型
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&&数显光栅尺- 万濠数显光栅尺 的 详 细 说 明
光栅尺用于：数控加工中心，机床，磨床，铣床，车床，镗床，自动卸货机，金属板压制和焊接机，机器人和自动化科技，生产过程测量机器，线性产品，直线马达，直线导轨空位等。 线切割专用光栅尺、铣床专用光栅尺、磨床专用光栅尺、车床专用光栅尺、三轴火花机专用光栅尺&光栅尺,直线光栅尺. 万濠数显光栅尺安装与各种模具加工（如镗床、龙门铣床、立车、普通铣床、磨床、车床、线切割、火花机以及专业机床改造. 万濠光栅尺销售及安装，安装光栅尺， 万濠光栅尺采用闭环控制机床和设备上进给轴的最佳选择，例如铣床、加工中心、镗床，车床和磨床，直线光栅尺动态性能好，运动速度可靠性高，测量方向的运动加速度大： 万濠光栅尺产品特点： 万濠光栅尺运行速度：每分钟60米以上。 万濠光栅尺长距离传输100米以上，中间不须增加任何介面。 万濠光栅尺滑动部采用五只轴承，优异的重复定位性。 万濠光栅尺信号线采用多层隔离线网及金属软外壳保护，防水及抗干扰性优良。 万濠光栅尺身采用铝合金型格，经阳极处理，尺头采用合金压铸，镀硬铬，耐腐蚀。 万濠光栅尺防尘片采用特种塑胶，耐刮伤，耐腐蚀，摩擦阻力小。 万濠光栅尺数显表:DC-200多功能数显表、WE6800系列、WE-200系列、WE-100单轴数显表 万濠DC-200多功能数显表，用手数字化光栅测量系统及视频测量系统，对二维测量的数据进行分析处理，广泛应用于投影仪、工具显微镜、CCD影像仪等二维测量仪器。 万濠光栅尺数显表产品特点： 万濠光栅尺数显表采用32位ARW9内核CPU,处理速度快，性能更稳定。 万濠光栅尺数显表采用640*480TFT真彩显液晶屏作为人机界面，图形显示更加直观。 万濠数显表WE-200: 万濠数显表WE200系列多功能数显表、是一种为铣床、钻床、镗床和车削加工等机床和测量、测试设备提供定位、显示的检测装置，配合光栅测量系统能够对加工位移量进行精确的测量分析并显示。 磨床光栅尺，铣床光栅尺，火花机光栅尺，磨床数显光栅尺安装，铣床数显光栅尺安装，磨床数显表、 光栅尺安装&光栅尺维修&光栅尺保养&进口光栅尺&铣床专用光栅尺&车床专用光栅尺&镗床光栅尺&光栅尺数显表&厂家直销光栅尺&光栅尺原装数显表&信和光栅尺&怡信光栅尺&万濠光栅尺&海德汉光栅尺&&SONY光栅尺&电火花光栅尺&三轴光栅尺&三轴光栅尺 余姚准青机械提供万濠光栅尺销售、万濠光栅尺安装、日本SONY光栅尺、发格光栅尺、信和光栅尺、怡信光栅尺、海德汉光栅尺销售及安装，承接各种国内外电子尺、光栅尺、及数显表
本公司还供应上述产品的同类产品：万濠光栅尺,磨床光栅尺,铣床光栅尺
浙江余姚市准青机械五金公司是由准青企业进军浙江地区成立的事业单位；主要代理销售各类模具制造设备和金属切削加工机床及五金工具配附件,经营的产品类别广泛精良。为响应广大用户的需求,特引进高尖端的机加工设备、机床附件、磨具等之配套服务.秉承过硬质量与诚信加顾问相结合,协助他们提高生产力、竞争力及增加盈利;
一.金属加工设备――-
台湾大同大隈机械股份有限公司(TATUNG-OKUMA):精密手摇平面磨床；台湾准力机械股份有限公司（JOENLIH）:手摇平面磨床、油压自动大水磨床、NC微电脑平面磨床；台湾友龙机械股份有限公司（SEEDTEC）:宇青精密平面磨床；台湾众程科技股份有限公司（EQUIPTOP）:手动平面磨床、三S全自幽ゴ玻惶ㄍ迦蠡涤邢薰荆SKM）:精密ZNC/CNC放电火花机、CNC镜面放电机、双主轴龙门放电机、细孔放电机；台湾新虎将精密立式铣床；曙光精密机械有限公司（SHUGUANG）:手动平面磨床/全自动大水磨床系列；
二.五金量仪部：
维昶机具厂有限公司-鹰牌(VERTEX):铣床配件系列、磨床配件系列、刀杆筒夹系列、切削中心机配件、车床配件、切削刀具专用机附件；米其林精机厂股份有限公司（MATCHLING）:u刀具系列、式刀具系列、磨床附件系列、倒角Cc磨刀C系列、床用A具、治具系列、CNC悼C床用刀U及搪孔系列、CNC床/EDM/切割C附件系列；台湾庞巨磨床配件;台湾辁宝五金工具系列；
日本三丰MITUTOYO:量具量规,高度计、投影仪、工具显微镜、二次元/三次元等测量量具量仪；
慢走丝/打孔机/快走丝专用配件及耗材;切削液,金属加工油,防锈油,导轨油等特种润滑剂.
三.磨具磨料部:
台湾中国砂轮企业股份有限公司（KINIK）:传统砂轮、BD/CBN砂轮、钻石工具等动平衡仪系列产品;
圣戈班集团旗下NORTON/WINTER/FLEXOVIT等三大主导品牌的所有磨具产品:固结磨具、涂附磨具、超硬材料磨具、薄型树脂砂轮和工业用金刚石产品等.台湾一品修刀/抛光工具；日本特殊研砥砂轮；美国Acecut薄片切槽砂轮/钨钢切断砂轮
总部设于台湾，历经近20年的戮力经营发展,先后于东莞、珠海、苏州及越南等地设有办事处，面向全国服务，得到了日益稳定的客户群体的有力支持。长期以来为客户的加工车间提供了技术解决方案，缩短了客户在采购整批/整厂产品时逐一选型、逐一进行比较时间。在领导人与团队「实事求是，勤勉踏实」的领导风格带领下，传承“正诚勤俭”基本方针；秉持着诚信的原则，将以优质的质量、合理的价格、完善的售后服务网络与客户建立长期良好稳定的合作关系.
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