基于ModBus协议的高精度光栅位移测量仪设计

　　数控机床是制造业不可缺少的设备，其应用是实现制造业现代化的必然趋势.为提高数控机床的加工精度，有必要为其配备在线测量装置. 在高精度的数控机床上，常常使用光栅作为位置检测装置的敏感元件.光栅是一种定值式传感器，测量精度取决于光栅刻线的准确性，能够动态而高精度地测量直线位移，还可以测量角位移，是一种比较理想的测量工具[1，2].计量光栅以其精密的测量长度与角度位移的优点，广泛地应用于数控加工、伺服跟踪制造业等领域.早期增量式光栅尺输出的电信号是相差 90°的正弦信号，随着计量光栅技术的发展，目前典型的信号为相差 90°的 TTL 方波信号 A 和 B，光栅尺输出信号为数字量，数据不受温度、时间的影响，抗干扰能力强.光栅尺常用的细分技术是电子分法，这种细分法的缺点是光电元件安放比较困难，细分数不高[3].在测量系统的数据传输技术中，RS232 串行通讯技术有着实现简便和系统集成费用低的特点; 而 RS485 使用两根线，具有通讯距离远和传输速率高的优点，所以在各个行业得到广泛的应用.采用 ModBus 通讯，进行多台仪表的远程实时监测，实现计算机控制下的主从控制，可以完成数据的采集和存储以及检索等功能.

　　本文用 STC89C51 单片机设计了基于ModBus 协议的高精度光栅位移测量仪. 通过单片机及数字电路对光栅尺进行四倍频细分及辨向，单片机对倍频之后的脉冲进行计数测量，再利用 ModBus 协议和计算机进行485 数据通信，实现和多种工业测量仪器的协同工作.LE 莫尔光栅尺在泡生法蓝宝石生长炉旋转提拉位移高精度测量中的成功应用，证明了本系统结构简单、测量精度高、工作稳定可靠，具有良好可扩展性.

　　1 光栅尺测量原理

　　1. 1 莫尔条纹

　　光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件.光栅尺由计量光栅构成.光栅尺的栅距W = a + d，如图1 所示，a 为刻线宽度，d 为缝隙宽度; 主光栅与指示光栅都刻有均匀线纹，将两块光栅重叠在一起，并沿刻线方向成 θ 角，这时由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带; 远离交叉点的区域形成暗带，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹[3-5].B 为两条莫尔条纹之间的距离，其与栅距 W 及夹角 θ 的关系为:

　　因此通过测量莫尔条纹移动的距离可测出小于光栅栅距的微小位移量.

　　1. 2 光电转换

　　光栅尺中除了主光栅及指示光栅外，还有光源、聚光镜和光电元件等. 光源发出的光透过聚光镜后变成平行光照射光栅，光电元件再把透过光栅的光信号转换为电信号. 如图 2 所示，当两块光栅相对移动时，a 位置两光栅的刻线重叠，透过的光最多，光强最大; b 位置光强逐渐减小; c 位置光被完全遮挡，光强为 0; d位置光重新透过，光强又逐渐增大; e 位置两光栅的刻线再一次重叠，光强最大. 输出信号 u 与光栅相对位移 x、光强的直流分量 U0及幅值为 Um的交流分量的关系可表示为: