光柵尺振動數據測量儀設計

許 坤 王杰強

（北京郵電大學世紀學院，北京 102100）

0 引言

光柵尺振動數據測量儀能實時采集來自生產線的產量數據，接收來自數據庫的信息，連接檢測儀器，實現檢測儀器數字化，數據采集儀自動從測量儀器中獲取測量數據，進行記錄，分析計算，形成相應的各類圖形，對測量結果進行自動判斷，同時能夠實時進行數據采集，使系統真正地實現實時監控[1]。該設備可與光柵數顯表結合成光柵測量系統，實現精準位移測量。通過C#語言進行軟件開發，通過串口通信實時監測數據變化情況，生成曲線便于觀察數據走向，也可將數據實時保存起來，以便日后進行分析[2]。

1 研究意義

隨著現代社會的發展，數據采集成為一個非常重要的環節，好的數據采集方案可把工作人員從處理數據的繁重工作中解放出來，將更多的時間投入其他工作中。實時數據采集也使系統真正地實現了實時監控。以生產現場來說，實時采集來自生產線上的產量數據或優質產品的數量，并將采集的數據傳輸到PC 機上。連接檢測儀器，實現檢測儀器數字化，數據采集儀自動從測量儀器中獲取測量數據，進行記錄，分析計算，形成相應的各類圖形，對測量結果進行自動判斷[3]。

該文研究的光柵振動數據測量儀，結合光柵尺對位移量進行實時測量，并形成圖形曲線及參數信息顯示在PC 機上。有利于大批量工件的測量，大大提高了操作的方便性，也提高了工作效率，具有友好的人機界面，對其進行研究具有良好的現實意義和應用價值。

2 國內外研究現狀

Hexago 公司會提供全系列測量產品供用戶使用，并配置國際最先進的數控系統和各種功能完善的測量軟件，滿足廣大客戶的要求。?？怂箍翟谥袊鴾y量市場有很大優勢，客戶廣泛分布于汽車、航空航天、機床工具、國防軍工和家用電器等重點大型行業，?？怂箍倒驹诠鈻懦呶灰茰y量技術方面還有很大的發展空間[4-5]。

在當今國際市場上，利用光柵進行數據測量的系統較為普遍，發達國家在20 世紀70年代末期就能生產出高精度的光柵數顯裝置。

3 硬件介紹

3.1 系統結構

圖1 硬件系統框圖

光柵尺數據測量儀由測量裝置，采集裝置、上位機數據處理3 個部分組成。光柵尺數據測量儀的硬件系統框圖如圖1 所示，將設備安裝在光柵尺滑臺上，設備的振動使光柵尺滑臺移動，RS-232 串口輸出高低脈沖數據，采集卡采集相關數據，采集卡采集得到串行數據，PC 機對數據進行處理和分析。將SDC-4 采集的數據通過USB 轉串口線是為了滿足大多數用戶的需求。通過C#語言處理和分析讀到的數據，得到具體數值和圖形曲線，數據可實時進行保存。該設備可用來進行直線位移或者角位移的檢測，在數控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，觀察和跟蹤走刀誤差，起到補償刀具運動誤差的作用。

光柵上的滑塊振動，其相對位置發生變化，通過上位機實時顯示振動曲線，通過txt 文檔或Excel 存儲數據。光柵尺振動振幅100 mm，采集精度1 μm，數據量120 個/s。光柵尺和上位機通過USB 口通信，不提供PCI 接口和串口。電源需要獨立供電，提供220VAC。

3.2 光柵尺

光柵尺也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。其原理為主、副光柵相對位移時，產生莫爾條紋變化，該變化由精密光電轉換器件轉換為電信號，然后經信號處理電路處理后，輸出相應位移量的數字信號[6]。該設備采用SINO 光柵尺，光柵尺實物圖如圖2 所示。設備信號線采用多層隔離線網及金屬軟外殼保護，防水及抗干擾性優良。尺身采用鋁合金型材，經陽極處理，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。部件個體化，安裝、保養、維護簡易，防水、防塵性良好，使用壽命長。傳感器采用玻璃精密計量光柵作為測量基準器。

圖2 光柵尺實物圖

光柵尺位移傳感器滿足了人們對高產出、高速度、高精度、高重復性和穩定性的需求，長距離傳輸可達100 m以上，中間不需增加任何界面，滑動部采用5 只軸承。具有超小的截面和大內徑，易于安裝所有必需的管線。這種輕薄的設計賦予其非常低的轉動慣量，保證無論安裝在哪里，整個系統定位都能實現扭矩最小，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，并將模擬信號轉化為數字信號導入計算機進行數字處理的捕獲設備。該設備選用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USB 轉串口線與上位機連接。SDC-4 采集卡信號線采用DB44 針插頭，該接頭含有DB9 針光柵尺插頭，可接3 個光柵尺，換言之，可以測量3 路數據，分別為X軸、Y軸、Z軸，采集卡實物圖如圖3 所示。

圖3 采集卡實物圖

采用串行接口RS-232C，RS-232C 標準接口的全稱是“使用二進制進行交換的數據終端設備和數據通信設備（DCE）之間的接口”。通用的有25 芯（DB25）和9 芯（DB9）2 種插頭和插件，該設備采用RS-232-C 接口采用9 腳D 型插座，第1 腳為數據載波檢測DCD，第2 腳為接收數據RXD，第3 腳為發送數據TXD，第4 腳為數據終端準備DTR，第5 引腳為信號地GND，第6 腳為數據設備準備好DSR，第7 腳為請求發送RTS，第8 腳為清除發送CTS，第9 腳為清零指示DELL。RS-232C 接口傳輸格式為每個字符包括11 bits，開始值1 位、數據值8 位（ASC Ⅱ碼，第一位為低位）、奇偶校驗位1 位（偶校驗）、停止位1 位。采集卡的波特率為9 600 bits/s 或28 800 bits/s，根據卡上跳線JUMP2 決定，JUMP2 連接為28 800 bit/s，斷開為9 600 bit/s，出廠設定為連接，即28 800 bit/s。相應串口設定值為(9600,E,8,1)或(28800,E,8,1)。數據以是ASC Ⅱ碼方式傳送，格式為 "X 符號 數值 Y 符號 數值 Z 符號 數值信息位 結束標志LF"。數值中包括：7字節整數部分，小數點（.），3 字節小數部分。例：X-1234.567 Y-1234.567 Z-1234.567 'INFO ' 'LF'，一共41 字節。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 軟件設計

4.1 通信命令集

上位機向采集卡發送相同的2 個字符作為一個命令。PC 與采集卡應答命令如下；#30 為重新啟動采集卡；#31為清除X 軸計數器；#32 為清除Y 軸計數器；#33 為清除Z 軸計數器；#35 為清除3 軸全部計數器；#36 為找X 參考點，找到后X 計數器清零，再次附加應答字符；#37 為找Y 參考點，找到后X 計數器清零，再次附加應答字符；#38為找Z 參考點，找到后X 計數器清零，再次附加應答字符、#40 為改變波特率；#39 為與PC 實現通訊同步；#41 為連續發送數據到PC 機；#42 為停止傳送數據到PC 機。

4.2 上位機

用MATLAB 實現的上位機用戶界面，項目實際開發時擬采用C#語言編程。為了提高代碼的可讀性和可移植性，便于二次開發，軟件開發環境采用Visual Studio 2017 集成開發環境。

功能介紹如下，打開軟件先選擇串口，如果串口驅動沒問題，會自動拾取串口號。點擊“打開串口”按鈕，圖形界面顯示當前的數據曲線。右側數據區顯示采集的光柵尺數據。點擊“關閉串口”按鈕，光柵尺采集數據停止，同時會在軟件文件夾內生成一個文件夾，將采集的數據按照日期保存成txt 格式。點擊“設為參考點”按鈕，可將光柵尺當前的位置，設置為0 點。向兩側分別顯示正負值。點擊“清空顯示”按鈕，可以清空顯示區和數據區。點擊“圖形更新速率”按鈕，可以選擇圖形的采集精度。

5 創新點

5.1 數據可視化

采用光柵尺，ARM 數據采集卡和PC 上位機完成數據的采集、轉化和處理，滑塊震動頻率達100 Hz，采集頻率達到的數據為120 個/s。

5.2 光柵尺測量精度高

與超聲波、紅外線等距離傳感器比較，光柵尺抗干擾能力強，數據測量精度高，采樣精度達到1 μm。

5.3 底層數據保存完備

所有底層數據以120 字/s 的速率保存，可保存為txt 或者Excel 文檔，便于后續進行數據分析。

5.4 接口和串口

采用USB 協議適配所有的PC 機。

6 結語

該文設計并實現了以C#為核心的光柵尺振動數據測量儀，主要包括硬件和軟件的設計。實現了將光柵尺滑動位置信息產生的高低脈沖信號轉換為數字信號，通過采集卡采集數據，通過串行口將數據傳輸至PC 機進行處理，得到圖像曲線，系統對采集到的數據進行實時保存。光柵尺測量數據，采集卡采集光柵尺測量的數據，PC 機對數據進行分析和處理，該設備具有高精度、高效率等優點。該設備也可與光柵數顯表結合成光柵測量系統，實現精準位移測量，可應用到車床、銑床、磨床、電火花機等設備，還可以應用于投影儀、影像測量儀、工具顯微鏡等測量領域。