基于光柵傳感技術的測控系統設計

丁瑞昕 羅隆 朱洪雷

摘要：現在光柵作為精密測量的一種工具，在精密儀器、坐標測量、精確定位、高精度精密加工等領域得到了廣泛應用，尤其被廣泛應用在機器人生產線等設備中。文章介紹了由光柵位移傳感器構成的全自動金屬帶鋸床測控系統。全自動金屬帶鋸床在單片機系統的控制下，完成被鋸毛坯材料的輸送、夾具的夾緊/放松、鋸切長度的測量、定位和切斷等工作。操作人員只要按要求輸入所需材料的尺寸和根數，鋸床就能自動完成預定的工作。由于使用了光柵式位移傳感器，鋸床的測量和定位總誤差小于0.1mm。該系統以AT89C51單片機為核心，擴展了8279等其他邏輯芯片。為了增加系統的抗干擾能力，使其能在操作現場惡劣的電氣環境下工作，該系統采用了光耦合器、電源凈化等必要措施。

關鍵詞：光柵;位移傳感器;單片機

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）10-0361-02

一、選題背景及目的

隨著現代制造業朝著高效、高精度和經濟性的方向發展，鋸切作為進切加工的起點，已成為零件加工過程中重要的組成環節。其優點是可以節約材料、減少二次加工量和提高生產效率。現在光柵式位移傳感器廣泛應用在自動生產線上。在目前的全自動金屬帶鋸床中，采用了光柵式位移傳感器構成的測控系統，從而使鋸床的測量和定位誤差大大減小。

二、研究內容及方法

在機械加工工藝中，“下料”工序往往被工藝設計者和工時計算者忽略。作為輔助工序，下料的效率和精確度的要求也自然被降低。但正是這種忽視，大大增加了工件的二次加工量，延長了工件整個加工工時。要想有效解決這個問題，可行的做法就是使用高精度、高效率的下料鋸切機床。

三、本設計硬件系統和軟件編程

（一）硬件系統

硬件系統主要由AT89C51單片機、通信電路、光柵信號處理電路、隔離控制電路、報警電路以及顯示電路等構成。光柵式位移傳感器測控系統采用了光耦合器，使其能夠在惡劣的環境下穩定運行。目前光柵式位移傳感器都已經數字化，經單片機對輸入的脈沖信號處理后，驅動相應的電動機和電磁閥進行相應的操作。在報警電路中，本設計的振鈴用蜂鳴器代替。本設計采用了鍵盤控制和屏幕顯示，操作人員只要按要求輸入所需材料的尺寸和根數，鋸床即可自動完成預定的工作。因此，整個系統方便地解決了鋸床控制的精度和效率問題。軟件系統主要包括初始化、置數操作、單步執行和自動運行等幾部分。

根據金屬帶鋸床的工作原理設計了由光柵式位移傳感器構成的測控系統，這個測控系統是全自動金屬帶鋸床操作的核心部分。在主機硬件方面的設計涉及單片機型號的選擇及外圍電路、顯示電路、報警電路、光柵信號處理電路、隔離控制電路、通信接口的設計。選用的單片機、驅動芯片等器件的功能如下：設計的測控系統把測量位移轉換成電脈沖信號，經前置和放大處理后，送入單片機進行綜合運算處理后輸出，使測量結果及相關信息在屏幕上顯示，并接入鍵盤輸入控制。為了能與上位機通信，系統還利用MAX232擴展了一個串行接口，通過該接口可將鋸床的工作狀態、工作數量等信號上傳給上位機。

1.各部分電路作用。單片機：處理各種數據并發出相應的操作命令是系統的核心部分。光柵信號處理電路：將光柵信號轉換成電脈沖送入單片機。通信電路：利用RS-232實現上位機與下位機之間的通信，實現人機交換。報警電路：在電路產生故障或作業停止時給出提示。隔離控制電路：利用驅動電路放大電流后，控制鋸床的電動機和電磁閥的工作狀態。鍵盤顯示電路：輸入生產所需的數據，直觀地把信息顯示給操作者。

2.系統的整體工作過程。單片機和光柵式位移傳感器之間構成輸入通道，用于采集光柵信號，將光柵信號轉化成電脈沖后送入89C51的T0口計數，單片機根據鍵盤或計算機輸入的數據，把需要移動的長度經過處理后轉換成電脈沖并計數，當光柵處理電路輸入單片機的脈沖數與單片機需要的脈沖數相等時，單片機輸出控制信號，通過驅動后，控制電動機和電磁閥工作，使電磁閥控制相應鋸床的動虎鉗、定虎鉗、頭架動作以達到定位工作，最后通過電動機完成切割。另外，當電動機工作異常時，單片機將送出低電平信號給報警電路，蜂鳴器就會發出聲音報警。還可以通過MAX232通信電路和軟件編程來完成計算機控制整個系統的功能。此時，顯示屏將顯示鋸床的相關信息，操作人員也可以通過鍵盤來控制鋸床的相關操作。這樣，本系統既可人工操作，也可以計算機遠程控制。

（二）軟件的設計

金屬帶鋸床由床身、頭架、送料裝置等部分組成。頭架是鋸條的支撐結構，環型鋸條有兩個輪盤張緊并固定在頭架上。在液壓油缸的作用下，頭架可以上下移動，完成鋸切進給和快速進給動作。送料裝置由導軌、動虎鉗、定虎鉗和安裝在床身與動虎鉗之間的直線光柵式位移傳感器組成。

動虎鉗在液壓油缸作用下可在導軌上移動，光柵式位移傳感器將移動距離轉換成對應的脈沖數。送料是定虎鉗夾緊，動虎鉗松開并后退，退到一定長度后停止，這時動虎鉗夾緊，定虎鉗松開，動虎鉗夾著被鋸毛坯材料向前移動，移動距離達到規定尺寸即停止，完成一次送料動作，送料到位后兩虎鉗同時夾緊，頭架快速下降，在鋸條即將接觸工件時，行程開關動作。頭架以工作進給快速下降，鋸條開始轉動，進入鋸切工作過程。毛坯材料被鋸斷后，頭架觸動另一行程開關，頭架升起，完成一次鋸切工作。

根據鋸床的工作原理，本設計的軟件系統設計了初始化、置數操作、單步執行和自動運行等部分。

1.初始化部分設定了系統的工作方式。為使系統在工作中能及時響應鍵盤命令，所以把鍵盤管理芯片8279的中斷設計成高優先級，并工作在方式0。初始化完成后，系統進入空閑狀態，等待中斷去喚醒，并在喚醒后進入置數操作。

2.置數操作完成輸入工作參數的設定，為自動運行提供參數。系統最多可設置8組參數，每組參數有不同的長度和根數，為便于程序查詢，每組參數都有固定的存儲地址，以區別8組不同的參數。任何狀態下復位，當前組號回到“1”，所有參數全部清零。

3.單步運行。系統的任何一個動作都可單步執行，在單步狀態下有如下聯動關系：①油泵沒啟動之前一切操作都無效;②在兩虎鉗都夾緊的情況下，若使油缸動作，后虎鉗自動松開;③在頭架快降到鋸條即將接觸工作時轉為工降。

四、結論

該金屬帶鋸床的測控系統采用了光柵式位移傳感器，提高了精確度和效率，并且操作簡單。與采用其他方案的系統比較，造價比較低，其硬件和軟件的設計比較簡單。

參考文獻：

[1]http：//www.21icsearch.com/searchpdf/at89c51.

[2]劉篤仁.傳感器原理及應用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

Measurement and Control System Based on Grating Sensing Technology

DING Rui-xin，LUO Long，ZHU Hong-lei

（Guangzhou Institute of Technology，Guangzhou，Guangdong 510075，China）

Abstract：Grating as a tool in precision measurement，has been widely used in precision instruments，coordinate measuring，precision positioning，high precision the areas of precision machining，particularly been widely used in electromechanical integration equipment.This design introduces the measurement and control system of automatic metal band sawing machine that is made of grating displacement sensor.Under the control of micro controller unit，automatic band sawing machine can complete such as transmitting the raw materials，clamping and loosening the jig，measuring the cut length，orientating，cutting and so on.The sawing machine can auto complete the scheduled work when the operator only input the required materials' size and amount.As the use of grating displacement sensor，the total error of sawing machine measurement and orientation is less than 0.1mm.This system takes the single chip microcomputer AT89C51 as control core，expands 8279 and other logic chips.In order to increase the ability of anti-jamming，and enable it to work at execrable environments，this system uses the optocoupler，power purification and other required measure.

Key words：Grating? Displacement sensor;Single-chip microcomputer