光栅数显表：精确测量直线位移的数字化仪表

光栅数显表是一种用于精密测量直线位移的数宇化仪表。它与光栅尺传感器共同组成位移测量系统，以其高精度、高分辨率、快速跟踪、抗干扰能力强等特点，越来越受到人们的重视。纵观机械加工行业中，大直径的精确测量始终是一个亟待解决的问题。传统的测量方法不但劳动强度大，而巨测量精度低，废品率高，因此，人们一直在探索新的测量方法进行大直径的精确测量。

1.具有绝对零位的光栅测量系统的工作原理

在广泛使用的光栅测量系统中，有一种带有一个或多个绝对零点的系统。利用它的某一个绝对零点，就可以作为测量直径的基准。把光栅尺（主光栅）固定于车床的一侧，而将读数头（指示光栅）与行走机构（车刀架）相连，车刀相对于加工件的位移，可通过光栅尺（传感器）反映出来，传送给数显表显示出实际的加工尺寸。对于某一个确定的绝对零点，在安装时可以精确测出该点相对于圆心的距离L。该点一旦确定，则相对于圆心始终是一个常数。该点作为一个基准，减去或加上该点到刀尖的距离H，即为被加工件的半径R₀或直径D₀。实际测量时，数显表可实时记忆L值，并通过键盘输入H值，然后寻找绝对零点，找到该点后，数显表根据内外径选择开关确定D₀值。

测外径时：D₀=2（L-H）

测内径时：D₀=2（L+H）

此后，随着工件加工的位移x，数显表便可实时跟踪和显示各时刻的实际直径尺寸（此时相当于在某预置状态下的加工），而在线加工的实际直径D为：

D=D₀±2x=2R=2（R₀±x）

2.MCS—51单片机光栅数显表软硬件设计

为了适应大直径的测量，使用MCS—51单片机构成了通用型的光栅数显表，其硬件组成如图4-93所示。(www.xing528.com)

光栅传感器输出的位移信号，送入数显表，首先进行放大、整形及电平转换，然后送入细分辨向电路，经细分后的脉冲信号（用以提高系统分辨率）送给51单片机内部的两个16位计数器（T₀、T₁）计数。而辨向电路要根据运动方向给出方向信号，以控制两个计数器分别作加、减计数，即CP+、CP-，单片机内部两计数器T₀、T₁经软件处理后，即可模拟出16位可逆计数器的状态值。

图4-93 硬件组成框图

该数显表的软件设计采用了模块化的设计方法。设计时考虑到其通用性，既可作为一般情况下的测量，又可作为大直径尺寸的测量。整机复位后，首先要判断是否进行了断电保护，有断电保护要恢复断电前状态，否则进入8031初始化。同时还包括有关RAM区清零，设定计数器T₀、T₁状态及计数器清零等工作。

图4-94 流程图

功能选择部分，完成测量方式选择、预置数、绝对零位寻找及内/外径测量选择等工作，用以确定加工开始前初始（累计）值的设定，这里，直径/半径的选择实际上是设置一个状态标志，处理时在直径状态下只要将半径状态下的测量值乘以2即可。以上步骤完成后，将进入数据处理及转换部分。单片机周期性采样计数器T₀、T₁的计数值，求得各时刻的增量值△x_i，该值与原累计值运算后，便可求出新的累计值。为了将脉冲数转换为位移量还要进行N倍乘，然后将二进制数转换为BCD数并送显缓区，任意时刻要显示的符号和数宇即实际位移量，通过P₀和P₁口输出它们的宇位与宇形，实现动态更新显示。大直径测量时，则可直接显示出当前的实际直径尺寸。具体流程如图4-94所示。