摘要：為了實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)位移的量值溯源，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種能時(shí)直線(xiàn)位移進(jìn)行校準(zhǔn)的通用裝置,。該裝置采用光學(xué)玻璃的KA-300型直線(xiàn)光柵尺作為測(cè)量基準(zhǔn),，由光柵尺、測(cè)量基座,、固定附件,、讀數(shù)滑臺(tái)、讀數(shù)頭靠尺,、導(dǎo)軌和數(shù)顯表等組成,；為了實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)與被校準(zhǔn)裝置同時(shí)工作在同一基座平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了用圓柱的軸向切線(xiàn)與被測(cè)件的基準(zhǔn)端面進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸式聯(lián)接的耦合方式,；分析測(cè)量誤差來(lái)源,，建立了安裝被測(cè)件引起的誤差分析模型。結(jié)果表明：該裝置能延長(zhǎng)直線(xiàn)光柵尺的壽命5倍以上，提高工作效率300％,，用于長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)最大測(cè)量誤差僅為-0．000 7％,。
關(guān)鍵詞：長(zhǎng)度測(cè)量；直線(xiàn)位移,；校準(zhǔn)裝置,；光柵尺
直線(xiàn)位移是長(zhǎng)度測(cè)量中重要的測(cè)量參數(shù)之一，在機(jī)械,、電子和航空航天等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛,，涉及到力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,。直線(xiàn)位移的量值校準(zhǔn)一般有兩種方法：1)通過(guò)通用的測(cè)長(zhǎng)儀進(jìn)行測(cè)量,，這種測(cè)量方法可取得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，但是測(cè)長(zhǎng)儀的安裝復(fù)雜,、機(jī)動(dòng)性差,、讀數(shù)困難；2)研制專(zhuān)用的直線(xiàn)位移測(cè)量裝置,，由于目前直線(xiàn)位移傳感器技術(shù)和電子控制技術(shù)相對(duì)成熟，這種方法能取得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度,，也具有靈活機(jī)動(dòng),、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但是一般來(lái)說(shuō),，這種裝置只針對(duì)某一種設(shè)備,，不具備通用性，造成資源上浪費(fèi),。
本文針對(duì)上述問(wèn)題,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種高準(zhǔn)確度、操作簡(jiǎn)便,、能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),、通用的直線(xiàn)位移校準(zhǔn)裝置。該裝置研制實(shí)現(xiàn)后,，對(duì)各種直線(xiàn)位移運(yùn)動(dòng)支架進(jìn)行了校準(zhǔn)應(yīng)用,，取得了良好的效果。在下文中,，本文以某型目標(biāo)模擬運(yùn)動(dòng)支架的校準(zhǔn)為例,，介紹直線(xiàn)位移通用校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
1 組成結(jié)構(gòu)
直線(xiàn)位移校準(zhǔn)裝置采用光學(xué)玻璃的光柵尺作為測(cè)量基準(zhǔn),，由光柵尺,、測(cè)量基座、固定附件,、讀數(shù)滑臺(tái),、讀數(shù)頭靠尺,、導(dǎo)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(shè)置絕對(duì)零點(diǎn)及相對(duì)零點(diǎn)并顯示被測(cè)工件的直線(xiàn)位移距離,。測(cè)量前，數(shù)顯裝置清零設(shè)置零點(diǎn),。測(cè)量時(shí),，用讀數(shù)頭靠尺的測(cè)量基準(zhǔn)線(xiàn)接觸被測(cè)移動(dòng)部件的基準(zhǔn)端面，被測(cè)工件的直線(xiàn)位移通過(guò)連接板帶動(dòng)讀數(shù)頭靠尺移動(dòng),，便可獲得被測(cè)部件任意位置的相對(duì)距離,。在測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)阿貝原理,，為了減小誤差,，要求被測(cè)件移動(dòng)部件的移動(dòng)軸線(xiàn)與讀數(shù)滑臺(tái)移動(dòng)軸線(xiàn)平行。
以某型目標(biāo)模擬運(yùn)動(dòng)支架的航向機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)為例,，安裝方式如圖2所示,。
3 詳細(xì)設(shè)計(jì)
3．1 測(cè)量基準(zhǔn)的選擇
設(shè)計(jì)采用直線(xiàn)光柵尺作為測(cè)量基準(zhǔn)，直線(xiàn)光柵尺測(cè)量軸向直線(xiàn)位置時(shí),，不存在任何附加的機(jī)械傳動(dòng)元件,，排除了滾珠絲杠受熱造成的位置誤差、重復(fù)性性誤差和螺距造成的系統(tǒng)誤差,，具有很高的測(cè)量準(zhǔn)確度,，測(cè)量重復(fù)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(xiàn)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(diǎn)是所有部件封閉在一個(gè)鋁外殼內(nèi)，掃描單元導(dǎo)軌不受灰塵,、雜質(zhì)的污染和損害,；掃描單元沿標(biāo)尺移動(dòng)的摩擦很小,；光掃描方式靈敏度高,、抗干擾能力強(qiáng)；采用增量式循環(huán)碼計(jì)數(shù)方式,，易于數(shù)據(jù)處理,。
其技術(shù)指標(biāo)如下：
1)測(cè)量長(zhǎng)度：0～800 mm；
2)測(cè)量誤差：±(3～10)μm；
3)測(cè)量重復(fù)性：±1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖,；
4)分辨力：0．5,，1，5個(gè)末位字,；
5)輸出信號(hào)：TTL電平,。
3．2 測(cè)量耦合方式
雖然直線(xiàn)光柵尺測(cè)量直線(xiàn)位移的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)明顯，但是在測(cè)量過(guò)程中,，一個(gè)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題是如何將直線(xiàn)光柵尺上的量值傳遞到被測(cè)件上,。使用科學(xué)的方法，可靠的方式,，將光柵尺與被測(cè)件進(jìn)行可靠的聯(lián)接,，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。
直線(xiàn)光柵尺依靠掃描單元的直線(xiàn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)度的測(cè)量,，而掃描單元安裝在測(cè)量平臺(tái)上,，必須設(shè)計(jì)一種耦合方式，通過(guò)這種方式將被測(cè)件與掃描單元進(jìn)行耦合聯(lián)接,，實(shí)現(xiàn)測(cè)量,，使直線(xiàn)光柵尺上的量值傳遞到被測(cè)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(cè)量誤差小，是一種常用的方式,，但是對(duì)聯(lián)接的要求高、操作復(fù)雜,，安裝的平行度對(duì)測(cè)量結(jié)果和直線(xiàn)光柵尺的安全影響較大,，不易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、快速測(cè)試,。因此,，設(shè)計(jì)了切線(xiàn)接觸式動(dòng)態(tài)耦合方式，如圖3所示,。該方式是在直線(xiàn)光柵尺的測(cè)量平臺(tái)上沿移動(dòng)方向垂直安裝一個(gè)圓柱形的耦合器,，用圓柱的軸向切線(xiàn)與被測(cè)件的基準(zhǔn)端面進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸式聯(lián)接。當(dāng)被測(cè)件的端面移動(dòng)到位時(shí),，推動(dòng)測(cè)量平臺(tái)與圓柱耦合器,，使軸向切線(xiàn)與被測(cè)件基準(zhǔn)端面相接觸，并讀直線(xiàn)光柵尺的直線(xiàn)位移測(cè)量讀數(shù),。
3．3 功能設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)直線(xiàn)位移校準(zhǔn)裝置的功能有自檢,、調(diào)零、設(shè)置分辨率、設(shè)置計(jì)數(shù)方向(正,、反雙方向計(jì)數(shù)),、查找兩點(diǎn)中心位置、公制／英制單位轉(zhuǎn)換,、線(xiàn)性誤差補(bǔ)償?shù)取?br />
查找兩點(diǎn)中心位置是根據(jù)特殊要求設(shè)計(jì)的,，設(shè)計(jì)功能是按箭頭所指方向移動(dòng)直線(xiàn)光柵尺，碰到被測(cè)件兩邊后程序進(jìn)行運(yùn)算,，確定被測(cè)件的中心位置,，然后移動(dòng)直線(xiàn)光柵尺至軸顯示為零，即為中心位置,。
線(xiàn)性誤差補(bǔ)償功能用于對(duì)光柵測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正,，修正系數(shù)公式為
式(1)中，L為實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)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(dāng)修正系數(shù)為正數(shù)時(shí)表示增長(zhǎng),，為負(fù)數(shù)時(shí)表示縮短,。補(bǔ)償范圍為：-1 500～+1 500 mm／m。在絕對(duì)坐標(biāo)顯示方式和相對(duì)坐標(biāo)顯示方式,，均可輸入線(xiàn)性誤差補(bǔ)償系數(shù),。
4 誤差分析
在測(cè)量過(guò)程中，誤差來(lái)源有測(cè)量的線(xiàn)性誤差,、直線(xiàn)光柵尺的分辨率和測(cè)量重復(fù)性引入的誤差,、環(huán)境溫濕度引入的誤差、安裝被測(cè)件引入的誤差等,，其中線(xiàn)性誤差可通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償,，在3．3節(jié)中已有詳細(xì)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(duì)于每次測(cè)量來(lái)說(shuō)是隨機(jī)誤差，而且誤差最大,，其余誤差可忽略不計(jì),。
安裝被測(cè)件時(shí)，由于被測(cè)件安裝與直線(xiàn)光柵尺不平行,，導(dǎo)致直線(xiàn)光柵尺與被測(cè)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(cè)件的實(shí)際長(zhǎng)度為l，在直線(xiàn)光柵尺上的投影,，即測(cè)量值為L(zhǎng),。被測(cè)件安裝后，夾角α是一個(gè)固定值,，與間隙寬h,、直線(xiàn)光柵尺的最大長(zhǎng)度Lmax兩個(gè)因素相關(guān)，被測(cè)件的測(cè)量誤差與夾角α相關(guān),，相關(guān)性如式(2)所示,。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的直線(xiàn)位移校準(zhǔn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)與被校準(zhǔn)裝置同時(shí)工作在同一基座平臺(tái)上，避免了復(fù)雜的安裝調(diào)試過(guò)程和由于安裝平行度不夠引起的測(cè)量誤差及對(duì)直線(xiàn)光柵尺的損壞,，降低了對(duì)測(cè)量條件的要求,，減少了誤差，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度,，同時(shí)還具有現(xiàn)場(chǎng)操作方便,、通用性強(qiáng)、聯(lián)接可靠等特點(diǎn),，大大提高了工作效率,。