一種直線位移通用校準裝置的設計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)直線位移的量值溯源，設計并實現(xiàn)一種能時直線位移進行校準的通用裝置。該裝置采用光學玻璃的KA-300型直線光柵尺作為測量基準，由光柵尺、測量基座、固定附件、讀數(shù)滑臺、讀數(shù)頭靠尺、導軌和數(shù)顯表等組成；為了實現(xiàn)校準與被校準裝置同時工作在同一基座平臺上，設計了用圓柱的軸向切線與被測件的基準端面進行動態(tài)接觸式聯(lián)接的耦合方式；分析測量誤差來源，建立了安裝被測件引起的誤差分析模型。結(jié)果表明：該裝置能延長直線光柵尺的壽命5倍以上，提高工作效率300％，用于長度測量時最大測量誤差僅為-0．000 7％。
關鍵詞：長度測量；直線位移；校準裝置；光柵尺

    直線位移是長度測量中重要的測量參數(shù)之一，在機械、電子和航空航天等行業(yè)應用非常廣泛，涉及到力學、電學和光學等學科領域。直線位移的量值校準一般有兩種方法：1)通過通用的測長儀進行測量，這種測量方法可取得較高的測量準確度，但是測長儀的安裝復雜、機動性差、讀數(shù)困難；2)研制專用的直線位移測量裝置，由于目前直線位移傳感器技術和電子控制技術相對成熟，這種方法能取得較高的測量準確度，也具有靈活機動、操作簡便的優(yōu)點，但是一般來說，這種裝置只針對某一種設備，不具備通用性，造成資源上浪費。
    本文針對上述問題，設計并實現(xiàn)一種高準確度、操作簡便、能進行現(xiàn)場校準、通用的直線位移校準裝置。該裝置研制實現(xiàn)后，對各種直線位移運動支架進行了校準應用，取得了良好的效果。在下文中，本文以某型目標模擬運動支架的校準為例，介紹直線位移通用校準裝置的設計與實現(xiàn)過程。

1 組成結(jié)構(gòu)
    直線位移校準裝置采用光學玻璃的光柵尺作為測量基準，由光柵尺、測量基座、固定附件、讀數(shù)滑臺、讀數(shù)頭靠尺、導軌和數(shù)顯表等組成，如圖1所示。

2 工作原理
    數(shù)顯裝置可任意設置絕對零點及相對零點并顯示被測工件的直線位移距離。測量前，數(shù)顯裝置清零設置零點。測量時，用讀數(shù)頭靠尺的測量基準線接觸被測移動部件的基準端面，被測工件的直線位移通過連接板帶動讀數(shù)頭靠尺移動，便可獲得被測部件任意位置的相對距離。在測量過程中，根據(jù)阿貝原理，為了減小誤差，要求被測件移動部件的移動軸線與讀數(shù)滑臺移動軸線平行。
    以某型目標模擬運動支架的航向機構(gòu)校準為例，安裝方式如圖2所示。

3 詳細設計
3．1 測量基準的選擇
    設計采用直線光柵尺作為測量基準，直線光柵尺測量軸向直線位置時，不存在任何附加的機械傳動元件，排除了滾珠絲杠受熱造成的位置誤差、重復性性誤差和螺距造成的系統(tǒng)誤差，具有很高的測量準確度，測量重復性好、速度快，安裝方便，能在環(huán)境較為惡劣的條件下工作。
    直線光柵尺選用KA-300型，它是一種封閉式玻璃光掃描的光柵尺。其特點是所有部件封閉在一個鋁外殼內(nèi)，掃描單元導軌不受灰塵、雜質(zhì)的污染和損害；掃描單元沿標尺移動的摩擦很??；光掃描方式靈敏度高、抗干擾能力強；采用增量式循環(huán)碼計數(shù)方式，易于數(shù)據(jù)處理。
    其技術指標如下：
    1)測量長度：0～800 mm；
    2)測量誤差：±(3～10)μm；
    3)測量重復性：±1個計數(shù)脈沖；
    4)分辨力：0．5，1，5個末位字；
    5)輸出信號：TTL電平。
3．2 測量耦合方式
    雖然直線光柵尺測量直線位移的特點及優(yōu)勢明顯，但是在測量過程中，一個需要重點解決的問題是如何將直線光柵尺上的量值傳遞到被測件上。使用科學的方法，可靠的方式，將光柵尺與被測件進行可靠的聯(lián)接，是解決問題的關鍵。
    直線光柵尺依靠掃描單元的直線移動實現(xiàn)對長度的測量，而掃描單元安裝在測量平臺上，必須設計一種耦合方式，通過這種方式將被測件與掃描單元進行耦合聯(lián)接，實現(xiàn)測量，使直線光柵尺上的量值傳遞到被測件上去。
    常用的方法是緊固聯(lián)接方式，這種方式聯(lián)接緊密、測量誤差小，是一種常用的方式，但是對聯(lián)接的要求高、操作復雜，安裝的平行度對測量結(jié)果和直線光柵尺的安全影響較大，不易實現(xiàn)現(xiàn)場、快速測試。因此，設計了切線接觸式動態(tài)耦合方式，如圖3所示。該方式是在直線光柵尺的測量平臺上沿移動方向垂直安裝一個圓柱形的耦合器，用圓柱的軸向切線與被測件的基準端面進行動態(tài)接觸式聯(lián)接。當被測件的端面移動到位時，推動測量平臺與圓柱耦合器，使軸向切線與被測件基準端面相接觸，并讀直線光柵尺的直線位移測量讀數(shù)。

3．3 功能設計
    設計直線位移校準裝置的功能有自檢、調(diào)零、設置分辨率、設置計數(shù)方向(正、反雙方向計數(shù))、查找兩點中心位置、公制／英制單位轉(zhuǎn)換、線性誤差補償?shù)取?br />     查找兩點中心位置是根據(jù)特殊要求設計的，設計功能是按箭頭所指方向移動直線光柵尺，碰到被測件兩邊后程序進行運算，確定被測件的中心位置，然后移動直線光柵尺至軸顯示為零，即為中心位置。
    線性誤差補償功能用于對光柵測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差進行修正，修正系數(shù)公式為
   
    式(1)中，L為實際測量長度，單位mm；L’為數(shù)字顯示器顯示值，單位mm；S為修正系數(shù)，單位：mm／m。
    當修正系數(shù)為正數(shù)時表示增長，為負數(shù)時表示縮短。補償范圍為：-1 500～+1 500 mm／m。在絕對坐標顯示方式和相對坐標顯示方式，均可輸入線性誤差補償系數(shù)。

4 誤差分析
    在測量過程中，誤差來源有測量的線性誤差、直線光柵尺的分辨率和測量重復性引入的誤差、環(huán)境溫濕度引入的誤差、安裝被測件引入的誤差等，其中線性誤差可通過軟件進行補償，在3．3節(jié)中已有詳細論述。
    在正常的工作環(huán)境和操作下，在諸多誤差中，安裝誤差對于每次測量來說是隨機誤差，而且誤差最大，其余誤差可忽略不計。
    安裝被測件時，由于被測件安裝與直線光柵尺不平行，導致直線光柵尺與被測件之間產(chǎn)生夾角α，在末端產(chǎn)生間隙寬h(一般安裝產(chǎn)生的間隙為1～2 mm，最大不大于3 mm)，產(chǎn)生誤差的原理如圖4所示。

    圖4中，被測件的實際長度為l，在直線光柵尺上的投影，即測量值為L。被測件安裝后，夾角α是一個固定值，與間隙寬h、直線光柵尺的最大長度Lmax兩個因素相關，被測件的測量誤差與夾角α相關，相關性如式(2)所示。


5 結(jié)束語
    本文設計的直線位移校準裝置的創(chuàng)新點在于實現(xiàn)了校準與被校準裝置同時工作在同一基座平臺上，避免了復雜的安裝調(diào)試過程和由于安裝平行度不夠引起的測量誤差及對直線光柵尺的損壞，降低了對測量條件的要求，減少了誤差，提高了測量準確度，同時還具有現(xiàn)場操作方便、通用性強、聯(lián)接可靠等特點，大大提高了工作效率。