新選擇

　　生產(chǎn)環(huán)境對(duì)車間計(jì)量的工件位置測(cè)量系統(tǒng)有特殊要求。感應(yīng)式測(cè)量系統(tǒng)原理有其固有弱點(diǎn)，例如溫度敏感或非線性特性。德國Traunreut的海德漢公司新開發(fā)的長度計(jì)在保持增量式光學(xué)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)外，還增加了提供絕對(duì)式位置值能力。它優(yōu)于原有位置測(cè)量系統(tǒng)，是車間長度測(cè)量的新選擇。

　　產(chǎn)品以及其部件對(duì)品質(zhì)、精度和功能的要求對(duì)其生產(chǎn)有巨大影響。為滿足這些要求，同時(shí)也需確保生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，人們?cè)谏�產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)方面投入了大量人力物力，希望精確測(cè)量公差和偏離其名義值的偏差并進(jìn)行相應(yīng)修正。

　　大批量自動(dòng)化生產(chǎn)中，用統(tǒng)計(jì)方法以及盡可能用機(jī)器和過程能力指標(biāo)進(jìn)行品質(zhì)保證。如果這不可行或由于特定條件限制使這些方法不經(jīng)濟(jì)，就只能通過“檢測(cè)”保證品質(zhì)。無論那種情況，都意味著需要大量時(shí)間，時(shí)間開銷與檢測(cè)精度、零件裝卸和檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，因?yàn)闇y(cè)量過程必須謹(jǐn)慎地與生產(chǎn)線進(jìn)行整合，以確保相互影響和相關(guān)性最小。機(jī)械生產(chǎn)中，這些任務(wù)通常由不同形式的位移傳感器執(zhí)行。有很多形式，例如：最簡單情況是用電容性或電感性接近傳感器檢測(cè)零件組裝中或組裝后是否存在。如果要求更高，需要檢測(cè)、測(cè)量和測(cè)試設(shè)備能復(fù)測(cè)工件尺寸、形狀和位置公差，精度需達(dá)到數(shù)微米。這需要環(huán)境條件穩(wěn)定或確定和對(duì)測(cè)量設(shè)備有特殊要求。

　　生產(chǎn)型直線測(cè)量

　　位移傳感器的龐大市場(chǎng)中，數(shù)毫米行程的感應(yīng)式傳感器有數(shù)百萬臺(tái)裝機(jī)量。一半是接近傳感器。另一半是比例傳感器，用于將測(cè)量值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出信號(hào)。這其中的幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備都用全橋或半橋線性差動(dòng)變壓器（LVDT）。這種測(cè)量設(shè)備的電子電路全部在后續(xù)電子設(shè)備中，用于大幅減小測(cè)量設(shè)備尺寸。還有價(jià)格低和型號(hào)多樣化的優(yōu)點(diǎn)。但是，這種感應(yīng)式測(cè)量基本原理決定了其固有弱點(diǎn)。測(cè)桿線圈系統(tǒng)只在軟鐵心中點(diǎn)的很小范圍內(nèi)為線性，因此可用的測(cè)量行程（與機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)）只有數(shù)毫米。由于這個(gè)原因，LVDT通常只用于測(cè)量公差，這在其線性行程范圍內(nèi)。名義尺寸由測(cè)針的固定位置確定，因此限制了測(cè)量設(shè)備靈活性和如果需要測(cè)量不同尺寸還需要進(jìn)行裝卸和調(diào)整。LVDT測(cè)量原理的另一個(gè)明顯弱點(diǎn)是車間環(huán)境通常不理想，可是它對(duì)溫度敏感。即使不大的溫度波動(dòng)也將導(dǎo)致測(cè)量值明顯偏移，因此需要重新校準(zhǔn)。盡管有這些局限，但由于用戶熟悉它，LVDT的優(yōu)點(diǎn)足以使它在市場(chǎng)中占有一席之地。

　　自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)微米精度范圍的測(cè)量中，除了接觸式直線光柵尺外，還有多種非接觸測(cè)量應(yīng)用。通常是基于光閘（透射光或反射光）的光學(xué)設(shè)備。也有部分設(shè)備用空氣的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量被測(cè)物體間距離。也有用集成在生產(chǎn)線中的視頻系統(tǒng)。

　　增量式光學(xué)長度計(jì)越來越多地用于取代LVDT.增量式光學(xué)長度計(jì)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗污染能力強(qiáng)，能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)過程的高標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)要求。相比其它測(cè)量原理，基于玻璃基體的測(cè)量基準(zhǔn)有多個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：

　　·測(cè)量精度高和全行程線性好（可達(dá)100 mm）

　　·溫度穩(wěn)定性好和溫度特性確定

　　·高分辨率的重復(fù)精度高

　　·單信號(hào)周期內(nèi)誤差小（=小行程誤差）

　　德國Traunreut的海德漢公司的Specto系列光學(xué)長度計(jì)已有多年應(yīng)用歷史。

　　提供絕對(duì)測(cè)量值

　　絕對(duì)式光柵尺的特點(diǎn)是位置與位置信息間關(guān)系確定。即使運(yùn)動(dòng)速度很高，也能始終提供可靠測(cè)量值。因此，截止頻率和電氣系統(tǒng)的最高速度限制這些指標(biāo)都不重要。

　　測(cè)量設(shè)備工作前必須先建立原點(diǎn)，就是說基于外部坐標(biāo)系確定被測(cè)位置的測(cè)量值。通常用實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)（在確定的位置處）確定這個(gè)原點(diǎn)：長度計(jì)接觸被測(cè)物體表面，然后接觸已知實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)的表面。如果測(cè)量設(shè)備開機(jī)后不能確定自己位置，就需要這樣確定原點(diǎn)，類似于增量式光柵尺沒有回零時(shí)情況。如果是絕對(duì)式光柵尺，開機(jī)后測(cè)量設(shè)備能立即確定位置。單這一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)就能大大方便檢測(cè)設(shè)備的裝卸和調(diào)試。

　　Acanto長度計(jì)不僅有增量式光學(xué)測(cè)量設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，還能提供絕對(duì)測(cè)量值（圖1）。這樣的設(shè)備提供了立即得到絕對(duì)位置的測(cè)量手段。如果再考慮環(huán)境條件因素，檢測(cè)期間甚至都可能不需要重新校準(zhǔn)。

　圖1 長度計(jì)有增量式光學(xué)測(cè)量設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，也提供絕對(duì)位置值

　　結(jié)構(gòu)緊湊

　　Acanto長度計(jì)為接觸式測(cè)量，防護(hù)等級(jí)為IP65.測(cè)量長度有兩種，12毫米和30毫米（圖2）。可用于大量應(yīng)用。為了簡化安裝和操作，有軸向和徑向版，用插頭連接電纜。測(cè)桿用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，也有用彈簧驅(qū)動(dòng)。測(cè)桿的陶瓷復(fù)合材料滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦小，磨損小和使用壽命長（超過≥ 500萬個(gè)往返行程）。長度計(jì)用裝夾桿固定（8 mm直徑）。位置用23 nm分辨率的玻璃光柵尺刻線確定。系統(tǒng)誤差，也就是測(cè)量行程全長的線性誤差為±2 µm.小行程誤差（細(xì)分誤差）為0.7µm.這對(duì)只有幾微米行程的重復(fù)測(cè)量很重要。溫度漂移的典型值為1µm/K.

圖2  典型應(yīng)用：自動(dòng)測(cè)量軸直徑和長度

　　位置值通過EnDat 2.2串口傳送。EnDat主單元負(fù)責(zé)EnDat光柵尺的通信。可以只傳送位置值，也可以為上一級(jí)應(yīng)用提供附加信息。EnDat主單元用微控制器（µC）或FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）或ASI進(jìn)行集成。如果選擇集成在FPGA或ASIC中，將能用純串行進(jìn)行高頻傳輸。德國Jena的MAZeT已開始提供多個(gè)版本。EnDat接口除提供絕對(duì)位置信息外，還提供光柵尺診斷功能。通過有效值提供當(dāng)前生成的測(cè)量值質(zhì)量信息。保存在設(shè)備存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可以讀取，也支持警告和報(bào)警功能。因此可以方便地監(jiān)測(cè)長度計(jì)工作情況，顯著增加檢測(cè)系統(tǒng)可靠性，特別是多軸應(yīng)用時(shí)。

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