一种直线位移通用校准装置的设计与实现

摘要：为了实现直线位移的量值溯源，设计并实现一种能时直线位移进行校准的通用装置。该装置采用光学玻璃的KA-300型直线光栅尺作为测量基准，由光栅尺、测量基座、固定附件、读数滑台、读数头靠尺、导轨和数显表等组成；为了实现校准与被校准装置同时工作在同一基座平台上，设计了用圆柱的轴向切线与被测件的基准端面进行动态接触式联接的耦合方式；分析测量误差来源，建立了安装被测件引起的误差分析模型。结果表明：该装置能延长直线光栅尺的寿命5倍以上，提高工作效率300％，用于长度测量时最大测量误差仅为-0．000 7％。
关键词：长度测量；直线位移；校准装置；光栅尺

    直线位移是长度测量中重要的测量参数之一，在机械、电子和航空航天等行业应用非常广泛，涉及到力学、电学和光学等学科领域。直线位移的量值校准一般有两种方法：1)通过通用的测长仪进行测量，这种测量方法可取得较高的测量准确度，但是测长仪的安装复杂、机动性差、读数困难；2)研制专用的直线位移测量装置，由于目前直线位移传感器技术和电子控制技术相对成熟，这种方法能取得较高的测量准确度，也具有灵活机动、操作简便的优点，但是一般来说，这种装置只针对某一种设备，不具备通用性，造成资源上浪费。
    本文针对上述问题，设计并实现一种高准确度、操作简便、能进行现场校准、通用的直线位移校准装置。该装置研制实现后，对各种直线位移运动支架进行了校准应用，取得了良好的效果。在下文中，本文以某型目标模拟运动支架的校准为例，介绍直线位移通用校准装置的设计与实现过程。

1 组成结构
    直线位移校准装置采用光学玻璃的光栅尺作为测量基准，由光栅尺、测量基座、固定附件、读数滑台、读数头靠尺、导轨和数显表等组成，如图1所示。

2 工作原理
    数显装置可任意设置绝对零点及相对零点并显示被测工件的直线位移距离。测量前，数显装置清零设置零点。测量时，用读数头靠尺的测量基准线接触被测移动部件的基准端面，被测工件的直线位移通过连接板带动读数头靠尺移动，便可获得被测部件任意位置的相对距离。在测量过程中，根据阿贝原理，为了减小误差，要求被测件移动部件的移动轴线与读数滑台移动轴线平行。
    以某型目标模拟运动支架的航向机构校准为例，安装方式如图2所示。

3 详细设计
3．1 测量基准的选择
    设计采用直线光栅尺作为测量基准，直线光栅尺测量轴向直线位置时，不存在任何附加的机械传动元件，排除了滚珠丝杠受热造成的位置误差、重复性性误差和螺距造成的系统误差，具有很高的测量准确度，测量重复性好、速度快，安装方便，能在环境较为恶劣的条件下工作。
    直线光栅尺选用KA-300型，它是一种封闭式玻璃光扫描的光栅尺。其特点是所有部件封闭在一个铝外壳内，扫描单元导轨不受灰尘、杂质的污染和损害；扫描单元沿标尺移动的摩擦很小；光扫描方式灵敏度高、抗干扰能力强；采用增量式循环码计数方式，易于数据处理。
    其技术指标如下：
    1)测量长度：0～800 mm；
    2)测量误差：±(3～10)μm；
    3)测量重复性：±1个计数脉冲；
    4)分辨力：0．5，1，5个末位字；
    5)输出信号：TTL电平。
3．2 测量耦合方式
    虽然直线光栅尺测量直线位移的特点及优势明显，但是在测量过程中，一个需要重点解决的问题是如何将直线光栅尺上的量值传递到被测件上。使用科学的方法，可靠的方式，将光栅尺与被测件进行可靠的联接，是解决问题的关键。
    直线光栅尺依靠扫描单元的直线移动实现对长度的测量，而扫描单元安装在测量平台上，必须设计一种耦合方式，通过这种方式将被测件与扫描单元进行耦合联接，实现测量，使直线光栅尺上的量值传递到被测件上去。
    常用的方法是紧固联接方式，这种方式联接紧密、测量误差小，是一种常用的方式，但是对联接的要求高、操作复杂，安装的平行度对测量结果和直线光栅尺的安全影响较大，不易实现现场、快速测试。因此，设计了切线接触式动态耦合方式，如图3所示。该方式是在直线光栅尺的测量平台上沿移动方向垂直安装一个圆柱形的耦合器，用圆柱的轴向切线与被测件的基准端面进行动态接触式联接。当被测件的端面移动到位时，推动测量平台与圆柱耦合器，使轴向切线与被测件基准端面相接触，并读直线光栅尺的直线位移测量读数。

3．3 功能设计
    设计直线位移校准装置的功能有自检、调零、设置分辨率、设置计数方向(正、反双方向计数)、查找两点中心位置、公制／英制单位转换、线性误差补偿等。
    查找两点中心位置是根据特殊要求设计的，设计功能是按箭头所指方向移动直线光栅尺，碰到被测件两边后程序进行运算，确定被测件的中心位置，然后移动直线光栅尺至轴显示为零，即为中心位置。
    线性误差补偿功能用于对光栅测量系统的系统误差进行修正，修正系数公式为
   
    式(1)中，L为实际测量长度，单位mm；L’为数字显示器显示值，单位mm；S为修正系数，单位：mm／m。
    当修正系数为正数时表示增长，为负数时表示缩短。补偿范围为：-1 500～+1 500 mm／m。在绝对坐标显示方式和相对坐标显示方式，均可输入线性误差补偿系数。

4 误差分析
    在测量过程中，误差来源有测量的线性误差、直线光栅尺的分辨率和测量重复性引入的误差、环境温湿度引入的误差、安装被测件引入的误差等，其中线性误差可通过软件进行补偿，在3．3节中已有详细论述。
    在正常的工作环境和操作下，在诸多误差中，安装误差对于每次测量来说是随机误差，而且误差最大，其余误差可忽略不计。
    安装被测件时，由于被测件安装与直线光栅尺不平行，导致直线光栅尺与被测件之间产生夹角α，在末端产生间隙宽h(一般安装产生的间隙为1～2 mm，最大不大于3 mm)，产生误差的原理如图4所示。

    图4中，被测件的实际长度为l，在直线光栅尺上的投影，即测量值为L。被测件安装后，夹角α是一个固定值，与间隙宽h、直线光栅尺的最大长度Lmax两个因素相关，被测件的测量误差与夹角α相关，相关性如式(2)所示。


5 结束语
    本文设计的直线位移校准装置的创新点在于实现了校准与被校准装置同时工作在同一基座平台上，避免了复杂的安装调试过程和由于安装平行度不够引起的测量误差及对直线光栅尺的损坏，降低了对测量条件的要求，减少了误差，提高了测量准确度，同时还具有现场操作方便、通用性强、联接可靠等特点，大大提高了工作效率。