摘　要：介紹了在三坐標測量機研制中贬奢，對光柵測量系統(tǒng)的設(shè)計時產(chǎn)生的測量誤差的原因進行了分析征乳，并提出了解決方案。實驗證明新框，該方法可很好地解決測量誤差的問題倍工。
關(guān)鍵詞：光柵數(shù)顯表；測量誤差公般；單片機
分類號：TP216　文獻標識碼：B
文章編號：1001-2265(2000)　02-0029-04

　　微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展万搔，使采用光柵傳感器作為長度、角度檢測元件的自動檢測技術(shù)已在自動控制官帘、數(shù)控機床瞬雹、儀器儀表及計量儀器等領(lǐng)域中得到普遍應(yīng)用^［1］。根據(jù)儀器的測量原理的不同刽虹，光柵信號處理電路的光柵數(shù)顯表的設(shè)計原理也有所不同酗捌，這就要求在設(shè)計儀器時根據(jù)儀器所采用的測量方法的不同而選用不同的光柵數(shù)顯表。

1　光柵數(shù)顯表簡介

　　目前市面上光柵信號的處理電路大部分是微機型光柵數(shù)顯系統(tǒng)涌哲。下面以某公司生產(chǎn)的光柵數(shù)顯表為例闡述其基本的工作原理胖缤。原理框圖如圖1所示(光柵信號為三路X、Y阀圾、Z哪廓，這里只畫一路)。光柵的輸出的信號經(jīng)過放大初烘、整形涡真、細分、辨向后赔绒，輸出脈沖信號匠凤，兩片8253可編程計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)。8253有3個獨立的通道衡孽，各通道均為16位2進制計數(shù)器厂跋，計數(shù)速率均為2.6Mkz，8253可由軟件控制谨寂。每一路用2個計數(shù)器分別作為加計數(shù)器和減計數(shù)器猫降，計數(shù)器的容量可達2¹⁶，即64K脆携，只要CPU對8253在兩次采樣間隔內(nèi)不發(fā)生計數(shù)溢出淫沧，便可滿足響應(yīng)要求豌魏。8253的連接圖如圖2所示。微處理器周期地對2個8253計數(shù)器采樣院抛，通過運算求出它們的增量的大小和方向唉私，再與原累積值相加，得到該采樣周期的位移染突，新的累積值是位移坐標捻爷。數(shù)顯表細分倍數(shù)為20，最小分辨率為0.5μm份企，微處理器為8031單片機也榄。此數(shù)顯表為微機型光柵數(shù)顯表，對數(shù)據(jù)的鎖存是通過軟件來實現(xiàn)的司志。這種數(shù)顯表在許多閉環(huán)系統(tǒng)的位置反饋環(huán)節(jié)中(數(shù)控機床)甜紫，以及長度測量中(如測長儀，測微儀等靜態(tài)測量儀器)得到廣泛的使用骂远。但這種數(shù)顯表應(yīng)用到需要實時保存數(shù)據(jù)的高精密的點位測量儀器中(如三坐標機)囚霸，將會產(chǎn)生很大的測量誤差。下面以此光柵數(shù)顯表為例吧史，分析這種數(shù)顯表在長度測量的點位測量場合時產(chǎn)生誤差的原因邮辽。

圖1　微機型光柵數(shù)顯表原理框圖

圖2　計數(shù)器計數(shù)及采樣過程　

2　光柵測量系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因

　　在長度測量的點位測量場合應(yīng)用這種光柵測量系統(tǒng)時，產(chǎn)生誤差的主要原因是由于系統(tǒng)的某些環(huán)節(jié)的速度跟不上而使系統(tǒng)產(chǎn)生延時所致贸营。一般來說吨述，現(xiàn)代集成技術(shù)的發(fā)展，電路及元件的響應(yīng)速度應(yīng)是很快的钞脂，可達納秒級水平阅王，相對于光柵10m/min的移動速度，電路及元件的延時可以忽略不計狡煎，系統(tǒng)的延時主要是由軟件產(chǎn)生的延時所至培扳。
　　此數(shù)顯表的工作原理圖如圖2所示。計數(shù)器采用的是兩片8253可編程計數(shù)器瞧纹，與CPU的連接見圖2硫薇。數(shù)顯表的分辨率為0.5μm，微處理器為8031單片機澳券，為微機型光柵數(shù)顯表但治，對數(shù)據(jù)的鎖存是通過軟件來實現(xiàn)的，軟件的延時是產(chǎn)生誤差的原因乎渊。
　　現(xiàn)以測量機的測量過程為例來進行具體分析习诬。為了簡單起見，只測量X方向的值(x變化崩蚀，y零短、z不變壤趴，使被檢測的量塊工作尺寸方向與X方向平行，量塊工作尺寸為X方向的坐標差的絕對值)瑞侮，其采數(shù)過程是這樣的的圆，當測頭與工件接觸時測頭發(fā)出觸發(fā)脈沖(此時工件的被測點的坐標為(x、y区岗、z))略板，此脈沖送入8031單片機內(nèi)作為中斷信號使程序產(chǎn)生中斷，轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷采數(shù)子程序慈缔，采集8253計數(shù)器的數(shù)據(jù)送入CPU加以處理。測點1的X方向坐標為X₁种玛，測點2的X方向坐標為X₂藐鹤，則量塊的尺寸L＝｜X₂－X₁｜。如圖3所示赂韵，當測點1與測頭接觸時娱节，此時坐標為X₁，測頭產(chǎn)生脈沖引起中斷(此時刻為t₁祭示，執(zhí)行中斷子程序采集數(shù)據(jù)的時刻為t₁′)肄满。工件會由于慣性而繼續(xù)向前運動，在t₁′時坐標為X₁′质涛，這樣X₁′＝X₁－ΔX₁拭兢。同理，計算機采到的工件的測點2坐標值為X₂′胯炊，實際需要的坐標為X₂孟掺，則X₂′＝X₂＋ΔX₂。測量計算出來的值為：L′＝｜X₂′－X₁′｜回东，則L－L′＝ΔX₁＋ΔX₂喂搬。把匯編程序讀出來并反匯編成源代碼后，對源代碼加以分析可以計算出軟件的延時Δt成吓。

圖3　測量工件示意圖

　　這臺數(shù)顯表使用的CPU為8031熙拐，其晶振為6MHz，機器周期為1μs切咸。典型的指令周期(執(zhí)行一條指令的時間)為一個機器周期搏翎。當單片機確定請求有效到進入響應(yīng)狀態(tài)，執(zhí)行中斷子程序時泳落，至少3個機器時間間隔沐恨；單片機響應(yīng)中斷，必須在當前指令執(zhí)行完后才進行婚被，這就可能增加2～4個機器時間間隔狡忙；當單片機正在執(zhí)行RETI或讀寫IE梳虽、IP指令時，單片機響應(yīng)中斷灾茁，必須等待2～5個機器時間間隔窜觉。總之北专，單片機響應(yīng)中斷響應(yīng)時間為5～12機器時間間隔^［2］禀挫。
　　其中斷采數(shù)程序框圖如圖4所示。其程序如下：

圖4　采數(shù)接口程序圖

　　從上面的中斷子程序可以看出拓颓，將8253的計數(shù)器的值鎖存后再讀出來時就不會產(chǎn)生誤差语婴。把中斷子程序的指令歸類，匯總計算執(zhí)行這些指令所須的機器周期數(shù)驶睦，如下表1所示砰左。從表1可以看出，從測頭接觸工件發(fā)出觸發(fā)脈沖场航，到數(shù)顯表讀到數(shù)據(jù)時共有33～40個機器周期的延時缠导，即33～40μs的延時。設(shè)延時的時間間隔為Δt呼笨，工件的測量移動速度為v m／min（v＜10m／min)恋晃，則每微秒移動的距離為v/60μm，在測測點1時的速度為v₁／60μm肪吁，在測測點2時的速度為v₂／60μm陷立。測量圖如圖5所示。

圖6　具有實時鎖存功能的微機型光柵數(shù)顯表原理框圖

圖7　光柵測量系統(tǒng)框圖

圖8　采數(shù)接口程序圖

5　結(jié)論

　　本文分析了在設(shè)計儀器時轿偎，對不具備實時數(shù)據(jù)鎖存的光柵數(shù)顯表應(yīng)用在點位測量場合產(chǎn)生的誤差進行了分析，找出了產(chǎn)生誤差的原因被廓。因光柵測量系統(tǒng)類型繁多坏晦，且測量精度和適用范圍不同，所以在設(shè)計機床和儀器時嫁乘，應(yīng)根據(jù)不同的具體情況選擇不同的光柵的測量系統(tǒng)昆婿，如有可能因盡量了解系統(tǒng)的工作原理，看其是否與自己設(shè)計的機床或儀器相符合永努，否則有可能發(fā)生選型失誤贞倒，造成不必要的損失。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)散苦，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享紫颈，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議奇嗽。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布嘁汗、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺永音，不為其版權(quán)負責(zé)揣恳。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片炭箭、文字如涉及作品版權(quán)問題继韵，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權(quán)并按國家標準支付稿酬或立即刪除內(nèi)容胆誊，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn肛度。