光栅卡卷尺测长技术

　　一、引　　言

　　在现代科研和生产中,经常需要对长度或距离进行精确测量。能够精确测量长度的仪器如激光测距仪、超声波测距仪等一般都造价较高。近几年发展起来的基于莫尔条纹技术的光栅卡尺测长技术成本较低,其测量精度可达0.05mm甚至更高。把这种卡尺作成卡卷尺可使测量范围达到20m。在实际应用中,卡卷尺的平直度会影响测量的精度。

　　笔者在研制引信试验场中五维定位系统时,使力距电机工作在堵转状态作为保持光栅卡卷尺标尺光栅平直的施力元件,并设计了线性调节的力距电机电源。对系统的检测表明,在20m测程内测量精度为0.1mm。

　　二、直线光栅编码的基本原理

　　光栅卡卷尺的关键部件是其直线光栅编码器,其工作原理如图1所示。两块光栅分别是标尺光栅和参考光栅。标尺光栅是反射式光栅,它实际上就是经过每毫米数条线刻划的可卷缩刚性标尺。与标尺光栅成一很小角度的参考光栅是透射式光栅。当标尺光栅以一定速度运动时,在接收元件前面形成与光栅运动方向垂直的莫尔条纹,而且标尺光栅左右运动时,莫尔条纹作上下移动,两只接收元件间距为1/4莫尔条纹宽度,得到两路相位差90°的正弦亮度信号,经处理后,输出A、B两路相位差为90°的等幅方波信号,如图2所示。

　　三、力矩电机的结构特点

　　直流力矩电动机是伺服系统中的一个执行元件,可不经齿轮减速而直接驱动负载,可以工作在低速状态,输出大的转矩,且机械特性和调节线性度较好,更重要的是它可以连续工作在堵转状态,所以也称之为堵转电机。直流力矩电动机的工作原理和普通的直流伺服电动机相同,只是在结构和外形尺寸的比例上有所不同。一般直流伺服电动机为了减小其转动惯量,大都做成细长形,而直流力矩电动机为了能在相同的体积和电枢电压下产生较大的转矩和较低的转速,一般做成圆盘状,电枢长度和直径之比一般为0.2左右,从结构合理性来考虑,一般做成永磁多极的。为了减少转矩和转速的波动,选取较多的槽数,换向片数和串联导体数。力矩电机在其体积和直径、气隙平均磁通密度均不变的情况下,输出电磁转矩大致与其导体中的电流成正比。

　　四、光栅卡卷尺测长系统硬件设计

　　光栅卡卷尺测长的系统结构如图3所示。由光栅编码器、力矩电机以及脉冲判向电路、F/V转换器、电流调节器、可逆计数器等部分组成。在系统中,标尺光栅的平直度是影响测量精度的关键性因素,实验表明,对于不锈钢材料制作的标尺光栅,在测量中要施加不小于9牛顿的张紧力,才可以保证测量的精度。