光柵尺振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

許 坤 王杰強(qiáng)

（北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院，北京 102100）

0 引言

光柵尺振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x能實(shí)時(shí)采集來(lái)自生產(chǎn)線的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，接收來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，連接檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀器數(shù)字化，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)從測(cè)量?jī)x器中獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行記錄，分析計(jì)算，形成相應(yīng)的各類(lèi)圖形，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判斷，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使系統(tǒng)真正地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。該設(shè)備可與光柵數(shù)顯表結(jié)合成光柵測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位移測(cè)量。通過(guò)C#語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，通過(guò)串口通信實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，生成曲線便于觀察數(shù)據(jù)走向，也可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存起來(lái)，以便日后進(jìn)行分析[2]。

1 研究意義

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集成為一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，好的數(shù)據(jù)采集方案可把工作人員從處理數(shù)據(jù)的繁重工作中解放出來(lái)，將更多的時(shí)間投入其他工作中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集也使系統(tǒng)真正地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)采集來(lái)自生產(chǎn)線上的產(chǎn)量數(shù)據(jù)或優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的數(shù)量，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 機(jī)上。連接檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀器數(shù)字化，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)從測(cè)量?jī)x器中獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行記錄，分析計(jì)算，形成相應(yīng)的各類(lèi)圖形，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判斷[3]。

該文研究的光柵振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x，結(jié)合光柵尺對(duì)位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并形成圖形曲線及參數(shù)信息顯示在PC 機(jī)上。有利于大批量工件的測(cè)量，大大提高了操作的方便性，也提高了工作效率，具有友好的人機(jī)界面，對(duì)其進(jìn)行研究具有良好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Hexago 公司會(huì)提供全系列測(cè)量產(chǎn)品供用戶(hù)使用，并配置國(guó)際最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)和各種功能完善的測(cè)量軟件，滿足廣大客戶(hù)的要求。?？怂箍翟谥袊?guó)測(cè)量市場(chǎng)有很大優(yōu)勢(shì)，客戶(hù)廣泛分布于汽車(chē)、航空航天、機(jī)床工具、國(guó)防軍工和家用電器等重點(diǎn)大型行業(yè)，?？怂箍倒驹诠鈻懦呶灰茰y(cè)量技術(shù)方面還有很大的發(fā)展空間[4-5]。

在當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)上，利用光柵進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量的系統(tǒng)較為普遍，發(fā)達(dá)國(guó)家在20 世紀(jì)70年代末期就能生產(chǎn)出高精度的光柵數(shù)顯裝置。

3 硬件介紹

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

光柵尺數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x由測(cè)量裝置，采集裝置、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理3 個(gè)部分組成。光柵尺數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x的硬件系統(tǒng)框圖如圖1 所示，將設(shè)備安裝在光柵尺滑臺(tái)上，設(shè)備的振動(dòng)使光柵尺滑臺(tái)移動(dòng)，RS-232 串口輸出高低脈沖數(shù)據(jù)，采集卡采集相關(guān)數(shù)據(jù)，采集卡采集得到串行數(shù)據(jù)，PC 機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。將SDC-4 采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB 轉(zhuǎn)串口線是為了滿足大多數(shù)用戶(hù)的需求。通過(guò)C#語(yǔ)言處理和分析讀到的數(shù)據(jù)，得到具體數(shù)值和圖形曲線，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)進(jìn)行保存。該設(shè)備可用來(lái)進(jìn)行直線位移或者角位移的檢測(cè)，在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，觀察和跟蹤走刀誤差，起到補(bǔ)償?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)誤差的作用。

光柵上的滑塊振動(dòng)，其相對(duì)位置發(fā)生變化，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)曲線，通過(guò)txt 文檔或Excel 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。光柵尺振動(dòng)振幅100 mm，采集精度1 μm，數(shù)據(jù)量120 個(gè)/s。光柵尺和上位機(jī)通過(guò)USB 口通信，不提供PCI 接口和串口。電源需要獨(dú)立供電，提供220VAC。

3.2 光柵尺

光柵尺也稱(chēng)為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。其原理為主、副光柵相對(duì)位移時(shí)，產(chǎn)生莫爾條紋變化，該變化由精密光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，輸出相應(yīng)位移量的數(shù)字信號(hào)[6]。該設(shè)備采用SINO 光柵尺，光柵尺實(shí)物圖如圖2 所示。設(shè)備信號(hào)線采用多層隔離線網(wǎng)及金屬軟外殼保護(hù)，防水及抗干擾性?xún)?yōu)良。尺身采用鋁合金型材，經(jīng)陽(yáng)極處理，尺頭部分用合金壓鑄，鍍硬鉻，耐腐蝕。防塵片采用特種塑膠，耐刮傷，耐腐蝕，磨擦阻力小。部件個(gè)體化，安裝、保養(yǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)易，防水、防塵性良好，使用壽命長(zhǎng)。傳感器采用玻璃精密計(jì)量光柵作為測(cè)量基準(zhǔn)器。

圖2 光柵尺實(shí)物圖

光柵尺位移傳感器滿足了人們對(duì)高產(chǎn)出、高速度、高精度、高重復(fù)性和穩(wěn)定性的需求，長(zhǎng)距離傳輸可達(dá)100 m以上，中間不需增加任何界面，滑動(dòng)部采用5 只軸承。具有超小的截面和大內(nèi)徑，易于安裝所有必需的管線。這種輕薄的設(shè)計(jì)賦予其非常低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，保證無(wú)論安裝在哪里，整個(gè)系統(tǒng)定位都能實(shí)現(xiàn)扭矩最小，速度最快。雖然橫截面小，卻不影響它的精度。

3.3 采集卡

采集卡主要是捕獲外界光電、音頻、視頻等模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理的捕獲設(shè)備。該設(shè)備選用SDC-4 采集卡，其和SINO 光柵尺兼容，采集卡輸出端可以接PCI 接口，也可由RS-232 串口輸出，還可以通過(guò)USB 轉(zhuǎn)串口線與上位機(jī)連接。SDC-4 采集卡信號(hào)線采用DB44 針插頭，該接頭含有DB9 針光柵尺插頭，可接3 個(gè)光柵尺，換言之，可以測(cè)量3 路數(shù)據(jù)，分別為X軸、Y軸、Z軸，采集卡實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 采集卡實(shí)物圖

采用串行接口RS-232C，RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)接口的全稱(chēng)是“使用二進(jìn)制進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的接口”。通用的有25 芯（DB25）和9 芯（DB9）2 種插頭和插件，該設(shè)備采用RS-232-C 接口采用9 腳D 型插座，第1 腳為數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD，第2 腳為接收數(shù)據(jù)RXD，第3 腳為發(fā)送數(shù)據(jù)TXD，第4 腳為數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備DTR，第5 引腳為信號(hào)地GND，第6 腳為數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好DSR，第7 腳為請(qǐng)求發(fā)送RTS，第8 腳為清除發(fā)送CTS，第9 腳為清零指示DELL。RS-232C 接口傳輸格式為每個(gè)字符包括11 bits，開(kāi)始值1 位、數(shù)據(jù)值8 位（ASC Ⅱ碼，第一位為低位）、奇偶校驗(yàn)位1 位（偶校驗(yàn)）、停止位1 位。采集卡的波特率為9 600 bits/s 或28 800 bits/s，根據(jù)卡上跳線JUMP2 決定，JUMP2 連接為28 800 bit/s，斷開(kāi)為9 600 bit/s，出廠設(shè)定為連接，即28 800 bit/s。相應(yīng)串口設(shè)定值為(9600,E,8,1)或(28800,E,8,1)。數(shù)據(jù)以是ASC Ⅱ碼方式傳送，格式為 "X 符號(hào) 數(shù)值 Y 符號(hào) 數(shù)值 Z 符號(hào) 數(shù)值信息位 結(jié)束標(biāo)志LF"。數(shù)值中包括：7字節(jié)整數(shù)部分，小數(shù)點(diǎn)（.），3 字節(jié)小數(shù)部分。例：X-1234.567 Y-1234.567 Z-1234.567 'INFO ' 'LF'，一共41 字節(jié)。例如58 2D 20 20 20 20 20 20 30 2E 30 30 33 59 2D 20 20 20 20 20 32 38 2E 31 33 31 5A 2B 20 20 20 20 20 20 30 2E 30 30 35 20 0A 為X-0.003 Y -28.131 Z +0.005。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 通信命令集

上位機(jī)向采集卡發(fā)送相同的2 個(gè)字符作為一個(gè)命令。PC 與采集卡應(yīng)答命令如下；#30 為重新啟動(dòng)采集卡；#31為清除X 軸計(jì)數(shù)器；#32 為清除Y 軸計(jì)數(shù)器；#33 為清除Z 軸計(jì)數(shù)器；#35 為清除3 軸全部計(jì)數(shù)器；#36 為找X 參考點(diǎn)，找到后X 計(jì)數(shù)器清零，再次附加應(yīng)答字符；#37 為找Y 參考點(diǎn)，找到后X 計(jì)數(shù)器清零，再次附加應(yīng)答字符；#38為找Z 參考點(diǎn)，找到后X 計(jì)數(shù)器清零，再次附加應(yīng)答字符、#40 為改變波特率；#39 為與PC 實(shí)現(xiàn)通訊同步；#41 為連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)到PC 機(jī)；#42 為停止傳送數(shù)據(jù)到PC 機(jī)。

4.2 上位機(jī)

用MATLAB 實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)用戶(hù)界面，項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)發(fā)時(shí)擬采用C#語(yǔ)言編程。為了提高代碼的可讀性和可移植性，便于二次開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Visual Studio 2017 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

功能介紹如下，打開(kāi)軟件先選擇串口，如果串口驅(qū)動(dòng)沒(méi)問(wèn)題，會(huì)自動(dòng)拾取串口號(hào)。點(diǎn)擊“打開(kāi)串口”按鈕，圖形界面顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)曲線。右側(cè)數(shù)據(jù)區(qū)顯示采集的光柵尺數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“關(guān)閉串口”按鈕，光柵尺采集數(shù)據(jù)停止，同時(shí)會(huì)在軟件文件夾內(nèi)生成一個(gè)文件夾，將采集的數(shù)據(jù)按照日期保存成txt 格式。點(diǎn)擊“設(shè)為參考點(diǎn)”按鈕，可將光柵尺當(dāng)前的位置，設(shè)置為0 點(diǎn)。向兩側(cè)分別顯示正負(fù)值。點(diǎn)擊“清空顯示”按鈕，可以清空顯示區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。點(diǎn)擊“圖形更新速率”按鈕，可以選擇圖形的采集精度。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 數(shù)據(jù)可視化

采用光柵尺，ARM 數(shù)據(jù)采集卡和PC 上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)化和處理，滑塊震動(dòng)頻率達(dá)100 Hz，采集頻率達(dá)到的數(shù)據(jù)為120 個(gè)/s。

5.2 光柵尺測(cè)量精度高

與超聲波、紅外線等距離傳感器比較，光柵尺抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)測(cè)量精度高，采樣精度達(dá)到1 μm。

5.3 底層數(shù)據(jù)保存完備

所有底層數(shù)據(jù)以120 字/s 的速率保存，可保存為txt 或者Excel 文檔，便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

5.4 接口和串口

采用USB 協(xié)議適配所有的PC 機(jī)。

6 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以C#為核心的光柵尺振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x，主要包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了將光柵尺滑動(dòng)位置信息產(chǎn)生的高低脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)采集卡采集數(shù)據(jù)，通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)傳輸至PC 機(jī)進(jìn)行處理，得到圖像曲線，系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存。光柵尺測(cè)量數(shù)據(jù)，采集卡采集光柵尺測(cè)量的數(shù)據(jù)，PC 機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，該設(shè)備具有高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備也可與光柵數(shù)顯表結(jié)合成光柵測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位移測(cè)量，可應(yīng)用到車(chē)床、銑床、磨床、電火花機(jī)等設(shè)備，還可以應(yīng)用于投影儀、影像測(cè)量?jī)x、工具顯微鏡等測(cè)量領(lǐng)域。