（光学工程专业论文）滑片厚度自动检测系统研究.pdf

颈士论文滑片厚度自动午奇铡系统研究 摘要 随着现代科学技术的发展，高速度、高精度的在线检测技术越来越受到生产工 程领域研究人员的关注，检测技术水平的高低直接影响到生产线的效率及自动化程 度本文就在生产过程中快速、高精度的厚度在线检测问题进行了研究。 文中首先通过对各种常用厚度检测传感技术进行介绍分析，确定了检测方案。 其次详细叙述了滑片厚度自动检测系统总体设计方案及要求，光栅厚度检测技术， 上位机与p l c 控制系统串行通信的实现方案，开发应用p c i 2 0 0 细分采集卡实现数 据采集，利用b o r l a n dc + + b u i l d e r6 0 平台设计开发的滑片厚度自动检测系统软件， 来实现对滑片检测分选的自动控制，实验。系统基本满足了企业所提出的设计要求， 检测速度2 秒，片，分辨率达到0 1 u m 。 关键词：滑片自动检测光栅传感器p l c 通信 卿 士论文 - 滑片厚度自动检测系统研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , r e s e a r c h e r so np r o d u c t e n g i n e e r i n gn o wp a ym o r ea t t e n t i o nt oo n - l i n et e s t i n gt e c h n o l o g yw i t hb _ i 曲s p e e da n d h i g hp r e c i s i o n t h el e v e lo ft h et e s t i n gd i r e c t l ya f f e c t st h ee f f i c i e n c ya n da u t o m a t i z a t i o n o ft h ep r o d u c tl i n e t h i sp a p e ri sa b o u tr e s e a r c ho no n - l i n et e s t i n gw i t l lh i g hs p e e da n d h i 曲p r e c i s i o ni np r o c e s so f p r o d u c t i o n f i r s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lk i n d so ft h i c k n e s st e s t i n gs e n s o ra n di n a k e sa l l p r o p e rt e s t i n gs o l u t i o n s e c o n d l y , i ts p e c i f i e st h es y s t e ms o l u t i o n o fa u t o m a t i c g l e i t h r e t t e rt h i c k n e s st e s t i n gi nd e t a i l ，t h i c k n e s st e s t i n gt e c h n o l o g yu s i n gg r a t i n g ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o na c h i e v e m e n ts o l u t i o no f p l cc o n t r o ls y s t e m a c h i e v i n gd a t as a m p l i n gb y a p p l y i n go ft h ep c i 2 0 0s u b d i v i s i o n a lc a r d a n dt h e nd e s i g n st h i c k n e s st e s t i n gs y s t e m s o f t w a r eu s i n gb o r l a n dc + + b u i l d e r6 0f o rt h ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o lo f g l e i t h r e t t e rt h i c k n e s st e s t i n gs o r t i n g ，t h ee x p e r i m e n t b a s i c a l l y , t h i ss y s t e mm e e t st h e n e e do f t h ee n t e r p r i s e t h ew h o l es y s t e mc a na c h i e v et h es p e e do f 2p i e c e sp e rs e c o n da n d 0 1 u m 。sr e s o l u t i o n k e y w o r d s ：哲e i t h r e t t e r , a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t , g r a t i n gs e n s o r , p l c c o m m u n i c a t i o n 1 i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：燮6 晕爵7 玷 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生躲燮 沙多年岛) g 日 硕士论文滑片厚度自动检测系统研究 1 引言 规模化生产是当今世界的主要生产方式。在产品竞争日益国际化的今天，产品 质量、生产规模和生产线的自动化程度一直是企业在国际竞争中能否取胜的重要因 素。其中生产线自动化程度的高低直接影响产品质量的好坏和生产规模的大小。当 前，制造科学和制造技术正向超精密、微细化方向发展，超精加工已成为先进制造 的重要内容之一。 1 1 课题研究背景和课题来源 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件，精密、超精密加工首先立足 于精密测量，两者关系极为密切，不可分离。这已经被生产发展的历史所确认。从 生产发展历史来看，机械加工精度的提高总是与测量技术的发展水平密切相关的。 有人认为材料，精密加工、精密测量与控制是现代精密工程( 包括宇航) 的三大支柱。 对于科学技术来说，测量与控制是使其发展的促进因素，测量的精度和效率在一定 程度上决定着科学技术发展的水平。而测量技术是随着科学技术的发展而发展。目 前，随着激光、光栅、感应同步器和微处理机、智能等新技术发展和迅速应用于测 量技术中，测量技术实现了自动化、程控化，以及误差分离和误差补偿。但这些新 技术、新量仪的应用还不普遍，还远远满足不了“中国创造”时代建设的需要，这 有待于我们根据我国实际情况研究新的测量方法，开发新技术，制造新量仪。 课题来源于宁波市科技局提出的，由南京理工大学科技处承担研制的，为宁波 甬微集团服务的滑片厚度自动检测项目。该系统的研制，对于提高我国空调零部件 产品质量和水平、响应当前全国科技大会提出的“提高自主创新能力，建设创新型 国家”的号召，打破国外的技术垄断，显得非常必要。 1 2 本人工作简介 滑片厚度自动检测系统涉及以下四个方面的问题：一是系统总体设计；二是检 测平台的设计与控制；三是分选系统的设计与控制；四是检测控制系统的软硬件设 计；五是系统的联调。本人工作如下： 一是规划系统总体设计方案与检测平台及步进电机控制系统设计； 二是传感器的选择及应用细分采集卡实现数据采集： 三是制定通讯协议，解决上位机与p l c 步进电机控制系统进行通讯问题： 四是选用合适的算法应用c + + b u i l d e r6 0 平台和v i s u a lc + + 6 0 控件进行系统 的软件设计： 五是协调进行系统的总体调试与安装。 检测平台的设计与控制部分和分选系统的设计与控制部分采取外包的形式同期 硕士论文滑片厚度自动检测系统研究 进行。 1 3 本文研究的意义 滑片是空气压缩机及空调中的一个关键性部件，其几何尺寸、表面粗糙度、形 位公差等精度的高低，严重影响空调制冷制热效率的好坏，是空调节能的关键因素 之一。随着空气调节器的发展，滑片的需求量越来越大，对其精度要求也越来越高。 而目前，在国内滑片生产企业中，滑片厚度的检测绝大多数仍然采用千分尺手工测 量，然后对滑片是否合格进行估计分类。这种测量方法，不但存在着检测速度慢( 一 个工人一个班次只能检测几百块) 、检测效率低、严重制约滑片生产效率的问题，而 且由于受主观因素和人手拿取时的热影响，导致无法得到精确的数据。社会的发展 要求生产向着快速、灵活、高质量、大批量的自动化方向发展，与此同时，产品检 测能否跟得上生产的速度就决定了企业工厂效益的高低，尤其是对大批量生产的重 要元件的检测，靠人工检测费时、费力。况且这种方法只适合对滑片进行抽检，而 不适合1 0 0 检验。因此，不能满足大规模批量生产的要求。国外先进的滑片生产 企业，除了实验室、检测部门和研究机构拥有先进的功能强大的精密测量仪器外， 生产中普遍采用专用的高效率精密测量机进行在线测量，从而确保产品质量，满足 主机厂的要求。但进口这样的自动检测设备，存在价格高，设备维护困难与周期长， 升级费用大等不良因素。如美国n d c 红外技术公司的测厚产品，其价格为1 2 0 万 元左右，而我们研制这套系统只要4 0 万元左右。 图1 1 滑片式压缩机工作原理图 2 硕卜论文滑片厚度自动检测系统研究 2 厚度检测技术 关于各种材料厚度的检测方法很多，而在国内专门针对滑片厚度的检测仪器还 是一片空白，这里仅就3 - - 6 r a m 厚的滑片可能采用的厚度检测方法加以介绍。从实 际运用中来看主要可能采用的有超声、激光、同位素、电涡流、电感式厚度检测技 术、立式光学计检测技术、光栅厚度检测技术。 然后，根据滑片o 1 u m 测量分辨率的要求，优选光栅方案，并对光栅测长技术 进行较为深入的分析。 2 1 常用厚度检测技术介绍 2 1 1 同位素厚度检测技术 同位素厚度检测技术是利用被测物体在厚度不同时对射线有不同吸收量的原理 来检测厚度3 羽。其测量原理如图2 1 所示： 被测扳材 图2 i同位素厚度检测原理 优点：动态响应性好，射线穿透力强。分辩率为5 u m 。 缺点：射线对人体有害，设备复杂，成本高，维护困难。 此法特别适应在恶劣现场条件下( 水分、油雾、高温、高湿等) 对各种板材( 如 钢板材、铜带、铝带、铝箔及非金属玻璃、纸张等) 进行高精度的厚度测量或者生 产流程的控制。与其他测厚仪( 电磁、超声、激光等) 相比，具有测量速度快、连续、 无接触、非破坏等优点。根据辐射源的不同其测量对象与测量范围存在差异如下： g a m m a r a ys e 7 5 适合检测厚度为4 4 0 m m 范围； a m 2 4 1 一般用于厚规格板材的测量，测量量程1 0 4 0 r a m l 2 9 1 ； 锶9 0 一般用于薄规格板材的测量，测量量程缸1 0 0 r a m 。 顿十论文 滑片厚度自功检测系统酽究 2 1 2 激光厚度检测技术 激光器 赚机心 。 l 岔 ， 。 e 。 基准平面， 图2 2 激光测厚原理 h = a a e o s g ( f f ) l f e o s o t x a a ( 2 1 ) 式中，h 为待测物厚度；，为传感器镜头的焦距；，为斑点到镜头的距离。 优点：分辨率为2 u m ，点测量不受被测物体的倾斜影响矧。 缺点：复杂，成本高。 此法采用激光位移传感器对生产线上各种板材( 金属机加工表面除外) 或白纸 表面的厚度实时检测。但检测时必须要有一个基准面，它是在已知基准面的情况下 进行检测的。 2 1 3 涡流式厚度检测技术 】 k 图2 3 透射式电涡流厚度传感器原理图 4 硕士论文 滑片厚度自动检测系统研究 优点：结构简单，成本低，可靠，耐油污，信号处理容易，可实现非接触测量。 分辨率1 0 哪。 缺点：磁场不易屏蔽，易受干扰，动态响应差，电涡流的大小受金属材料的电 阻率影响很大，而电阻率随温度变化而改变，导致测量精度不高。 此法适用于测量金属材料上非金属涂层、金属涂镀层，铁磁性材料上非铁磁性 材料涂层的厚度等。 2 1 4 超声厚度检测技术 被测物体的厚度可由公式2 2 算出： d = 兰 ( 2 2 ) 图2 4 超声波测厚工作过程图 优点：检测原理简单，对被测物材料的敏感性小，检测时不受被测物材料杂质 的影响，检测数据准确且无需校验印】。 缺点：超声波在空气中衰减很快，检测时一般要有声波的传播介质，如油或水 等，同时液体波动大时误差大。 此法适合测量大厚度值或多层材料，测量范围一般在5 m m 以上。测量o 5 1 0 m 颢士论文 滑片厚度自动检铡系统研究 厚的钢介质时，精度为4 - 2 r a m s 。 2 1 5 电感式厚度检测技术 电感式厚度检测技术采用相对测量方法，测量前用与被测件理论值相同的标准 量块对电感传感器调零后来进行比较测量。测量分辨率可达o 1 u m 。 采样开关位置开关 图2 5电感式厚度检测技术工作原理图 上海交通大学已经研究出了量程为o 0 2 r a m ，分辨率为0 1 u m 的差动电感式位 移传感器，属国际先进，但还没有形成产品。形成产品具有代表性的有意大利 m a r p o s s 、中国中原量仪、无锡的w d l 高精度直线位移传感器。其中无锡谈渡传感 器厂生产的w d l 高精度直线位移传感器技术参数：分辨率1 0 u m ；量程：5 m m ； 精度：l u m 。 此种测量方法由于结构简单，抗干扰能力强，分辨率高等优点，不但适用于静 态测量，替代目前常用的接触式干涉仪、光学计、超光仪等，还适用于现场在线测 量。但工作频率很难提高，其动态响应速度很慢，不宜用在高速测量的场合。 2 1 6 立式光学计检测技术 立式光学计检测技术主要利用量块与零件相比较的方法，来测量物体外形的微 差尺寸，是测量精密零件的常用测量技术。其测量范围：最大长度1 8 0 m m ；仪器的 最大不确定度：0 0 0 0 2 5 m m ：示值稳定性：0 0 0 0 1 m m ：测量的最大不确定度； ( 0 5 + l 1 0 0 ) u m 。 此法测量分辨率可达0 0 1 u m ，但只用于静态测量，不适合在线动态测量。 6 硕十论文 滑片厚度自动检测系绕研究 2 2 光栅厚度检测技术 光栅厚度检测技术采用的是相对测量技术，即先用标准器标定计量器具的零位， 再由光栅尺测出被测几何量相对于标准器的偏差的测量技术。 2 2 1 计量光栅的发展现状及趋势等 光栅的发展现状 从根本上来说，是机床工业，特别是数控机床的出现，刺激了计量光栅技术的 发展。1 9 5 3 年，英国f e r r a n t i 公司作为第一家计量光栅的用户，采用每毫米4 条线 的粗光栅作测量元件，研制成功了加工飞机机翼的n c 外皮铣床，并第一次利用短 光栅拉长的方法达到了长达9 m 的量程。在当时轰动了工程界。我国对计量光栅研 究始于1 9 6 0 年前后( 中国科学院长春光机所和清华大学) 1 1 1 。 进入二十一世纪，随着数控技术和信息技术的发展，光栅传感器也向高精度、 高速度、智能化和集成化迅速发展，并且特别注重产品的高质量、实用性和经济性。 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的余文新通过对计量光栅技术中计算 机正切细分法进行扩展，在信号处理电路中设计出一个量程比较小的精测档，可稳 定得到2 r i m 的测量分辨率旧；赵光辉研究了x 射线测量板厚问题【1 6 】；朱沙研究了 电容传感器应用于薄型带材厚度检测的问题【1 飞陈丽红研究了液压轧机厚度的测量 与控制问题【1 8 1 ；梁鸿生研究了电涡流传感器应用于电缆铝护套厚度在线测量的问题 【1 4 】；姚广仁采用单片机设计制作了超声反射法测厚仪【捌；吴小津研究了应用电容式 传感器进行胶带纸胶层厚度在线检测问题【2 1 1 ；何亚飞研究了铜带厚度测量问题【矧； 马秦生利用激光器、图像传感器进行非接触厚度自动测量的原理进行了测量实验 跚；陈平对钢板厚度自动分选、堆垛系统进行了研究嘲；宋开臣选择变间隙电容微 位移传感器来对钢带厚度测量系统进行了研究【4 5 l 。到2 0 0 5 年，中国大陆生产的玻 璃光栅尺最大测量长度为3 米，最高准确度己达到士3 u m ，分辨力为0 1 u m ，速度为 6 0 m m i n 。随着数显、数控技术的推广应用，计量光栅技术在我国将进一步得到广 泛的应用【1 3 1 。 当今世界生产光栅传感器的主要厂家：德国海德汉( h e i d e n h a i n ) 、西班牙 发格( f a g o r ) 、日本三丰( m i t u t o y o ) 、日本双叶( f u t a b a ) ，英国的r e n i s h a w 公司等【1 2 】。德国的h e i d e n h a i n 一直走在光栅技术及产品发展的最前沿，其技术、 品种、产量都绝对领先于世界各国。2 0 0 5 年在第九届中国国际机床展览会上，德国 h e i d e n h a i n 玻璃光栅尺测量长度达到3 m ，钢带光栅测量长度达到3 0 m ，测量准 确度达到o 1 u r e ；测量步距从s u m 直到i n , n ；密封式光栅尺最大速度是1 8 0 m m n 。 7 硕士论文 滑片厚度自动枪铡系统研究 今后发展趋势 由于机械加工技术不断向着高速度、高精度、高效率的方向发展，由于机床数 控系统向着商度集成、高分辨率、小型化方向发展，由于高精度机床和大型机床的 发展，促进了作为检测系统的光栅测量系统的迅速发展。今后的发展趋势如下： 1 ) 高精度化国外数控系统的设定单位由l u m 发展到o 1 u m 和0 0 1 u r n ，日本 f a n u c 已展示了实现o 0 0 1 u r n 脉冲的系统，数控系统要求能检测亚微米级 的高精度。而提高光栅测量系统的精度主要是提高光栅尺的刻划和复制精 度，提高信号的读取精度，提高光栅倍频器的电子细分倍数及稳定性。此 外还要考虑到光栅尺的温度膨胀系统，希望能和被测物体一致。 2 ) 扩大测量长度由于材料和工艺的限制，玻璃透射光栅尺测量长度达到 3 m 。大量程的测量和考虑到温度的影响，以及误差的修正，2 m 以上的光 栅尺多采用金属钢带光栅，最大量程已到3 0 m 。 3 ) 提高测量速度测量系统由于测量分辨率的提高其测量速度随之下降，从 技术上要解决高速度和高分辨率的矛盾，保证测量速度1 0 一1 2 0 m m i m 。 4 1 减小体积提高可靠性要考虑到压缩技术和表面安装技术。 5 ) 品种多样化要适应不同精度、不同测量长度、不同的传输距和不同使用 环境1 2 4 1 1 2 0 3 2 。2 2 光栅传感器工作原理 光栅的结构 p 一 2 、3 f 4 f 5 一侈一一一国_自一一，珀一一 1 、光源；2 、准直透镜；3 、标尺光栅：4 、指示光栅；5 、光电接收元件 图2 6 光栅光学系统 光栅光学系统是指形成莫尔条纹和拾取莫尔条纹信号的光学系统及其光电接收 硕士论文 滑辟厚度自动检铡系统酽究 元件【2 1 。它的作用是把标尺光栅的位移转换为光电元件的输出信号。其结构主要是 由照明系统、标尺光栅、指示光栅、光电接收元件等组成如图2 6 所示，其中照明 系统包括光源1 及准直透镜2 。光源l 放在准直透镜2 的焦面上，光线经准直透镜 成平行光照明光掇。光源采用发光二极管，它具有寿命长、热量低、体积小，峰值 波长与接收元件匹配好等特点，但温度特性差、光通量低。标尺光栅与指示光栅可 相对移动，它们的刻线面相对，两块光栅之间保持均匀的间隙d 。为了获得较强的 反差，指示光栅应位于标尺光栅的菲涅耳焦平面上。 睁w 2 溉 ( 2 3 ) w 为光栅的栅距；名为有效光的波长。 光栅读数头又叫光电接收器，它的作用是将莫尔条纹的光学信号转换成电信号。 常采用的有硅光电池、光电二极管和光电三极管。由于光电二极管的灵敏度接近或 略高于硅光电池，其频率响应度比硅光电池高一个数量级( 1 0 。s ) ，通常在频率大 于5 0 k h z 的场合下应用。光电三极管具有放大作用，灵敏度高，但稳定性和频率响 应不如二极管好。 莫尔条纹的形成 如图2 7 所示，传感器在制造时必须保证主光栅和指示光栅的栅线保持固定的 微小夹角矽，这样当与被测物体连接的主光栅与处于固定位置的指示光栅发生相对 位移运动时，在两片光栅的重合面区域将产生垂直的明暗相间的干涉莫尔条纹。通 过光电元件检测莫尔条纹数量和方向即 可以得到位移量以及它们的方向信息。 可以证明当p 很小时，莫尔条纹间 距b 与栅距以及夹角口之间存在下面 的关系： b = 丽w z 万w ( 2 4 ) 光栅栅距5 护两光栅刻线间的夹角 ( r a d ) 。 图2 7 莫尔条纹的形成 9 颂士论文 滑片厚度自动检测系统研究 从式( 2 4 ) 可知，当形一定时，口越小，则占越大。这相当于把栅距放大了1 o 倍，提高了测量的灵敏度。因此传感器可以通过检测莫尔条纹的数量得到光栅相对 位移量。在本系统中应用的是密封式线位移传感器，其主光栅端部与通过连接孔固 定连接，可以在滑槽中随被测物体的移动而移动，主光栅的移动范围决定了传感器 单方向位移检测量程。指示光栅与光电元件属于传感器的固定部分，工作时通常被 固定在机器的机架上。光电元件用来随主光栅的移动而产生的莫尔条纹的光强变化。 光栅每移动一个栅距，莫尔条纹便走过一个条纹间距，电压输出正好经历一个变化 周期，当光栅连续运动时，通过电路整形处理，这一正弦信号变成一串连续脉冲输 出。脉冲数和条纹数与移过的光栅栅距是一一对应的，因此运动部件的位移量d 为： d = n w ( 2 5 ) n 一一移过的莫尔条纹的数量。 一般夹角0 很小，w 可以做到约o 0 1 r a m ，而b 可以做到6 8 m m 。采用特殊 电子线路可以区分出b 4 的大小，因此可以分辨出w 4 的位移量 2 11 3 0 】。例如 矽= o 0 1 r a m 光栅可以分辨o 0 0 2 5r n m 的位移量。 密封式线位移传感器采用四个光电二极管接收莫尔条纹移动时光强的变化，光 信号被转换为电信号( 电压或电流) 输出。输出电压信号的幅值为光栅位移i x 的函 数，即 ：鳓+ t 。s i l l f 孥1 ( 2 6 ) 2 鳓+ m 8 m 【可j 昭回 式中 o 输出信号中的直流分量； m 输出正弦信号的幅值； x 两光栅间的瞬时相对位移。 将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过 辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大 小。 2 2 3 光栅厚度检测技术优点 1 ) 精度高光栅式传感器在大量程直线位移方面，其测量精度很高，仅次于激 光干涉仪。 2 ) 分辨率高此法测量分辨率可达纳米级，目前国际上常用的光栅测量分辨率 为l u m 和0 1 u m 、系统准确度为o 5 5 u m 。玻璃光栅尺最大测量长度为3 0 4 0 r a m ， 金属钢带光栅尺为3 0 m 。信号传输的最大距离可达到1 5 0 m 。密封式光栅尺最大测 i o 硕士论文 滑片厚度自动检测系统研究 量速度为1 8 0 m m i n 。 3 ) 电路结构简单，可实现动态测量，输出为电信号，易于实现测量及数据处理 的自动化。由于微电子技术的迅速发展和微处理器的广泛应用，可采用电子细分和 数字化处理技术对光栅传感器的栅距进行电子细分和软件误差修正，从而提高测量 系统的分辨率和系统的准确度。 4 ) 具有较强的抗干扰能力。 2 3 光栅信号的数字细分技术 目前国内外在长度计量领域内所用的光栅线数一般为2 5 - - 2 0 0 0 l m m ，对应的 栅距为0 5 4 0 , t u n ，但是使用光栅系统测长的分辨率往往要求达到n m 级甚至更高。 由于光栅刻制工艺上的限制，光栅测长系统所用的长光栅线数很难再有大的提高， 仅靠光栅据距本身的分辨率已难于满足精密测量的高分辨率要求。而且，光栅线数 密度越大，制造工艺要求越高，光栅的价格也就越高。因此结合实际成本及应用来 考虑，本系统通过采用莫尔条纹的细分技术来提高滑片厚度自动检测系统的分辨率， 使用低线数的光栅来进行高精度的测量。 莫尔条纹细分 图2 8 光栅的细分法 由图2 8 可以看出光栅的细分方法有机械一光学细分法、电子细分和软件细分 法。机械一光学细分是从空间域上通过相位信号的测量达到细分的目的；光栅信号 电子细分( 倍频) 的目的是为了将栅距分成n 等分，它是从时间域上通过相位信号 的测量达到细分目的；软件细分法是将莫尔条纹电信号经量化处理后，再编程软件， 根据相应的算法来细分。 光栅信号电子细分法较常见的有直接细分法、移相电阻链法、幅值分割电阻链 纽姐 知分分瑚铷瑚细细电甘蛰糊期舭批姚 黼颥删删 删翩潞糊蝴糊 徽秘被撇燃 法 法 分 分 细 细 件 件 硬 软 ril、il 法 学 分 光 细 一 子 械 电 机 厂iil、，llll 硕士论文 - 滑片厚度自动检测系统研究 法、锁相细分法和载波调制法等。直接细分法( 4 细分) ：电路简单，对信号要求不严， 可用于静态和动态测量；移相电阻链法( 2 0 细分优点显著) ：电路较复杂，对信号正 交性要求严，精度较高，受零漂影响；幅值分割电阻链法( 4 0 8 0 细分) ：电路更复杂、 精度较高、精度受波形与幅值变化影响较小，可用于动态和静态测量；锁相细分法 ( 1 0 0 1 0 0 0 细分) ：细分数大而电路简单，对信号波形要求不严，对光栅运动匀速性 要求高，细分数大时可优先选用，但仅用于动态测量的场合；载波调制法( 1 0 0 - 1 0 0 0 细分) ：细分数大、精度高，但电路复杂，对波形及正交性要求严格【3 1 ；函数变换法： 将正弦函数变换成其它函数，再细分，可实现高精度的电子细分。由以上分析可知， 当系统要求细分数较高时，若仍然采用硬件来实现细分，则电路较复杂，用纯硬件 来实现细分显然是不适用。 随着微处理技术的蓬勃发展，利用微处理器来进行处理、运算，用软件来实现 信号的数字细分的方法一一软件细分法也就应运而生。微处理器具有运算和逻辑功 能，可以用来完成细分，从而简化了仪器硬件电路的结构，增强了仪器功能，提高 了仪器的精度。其特点如下： 1 ) 通用性强对不同细分数的光栅传感器均可使用； 2 ) 方便进行误差修正与补偿，从而提高系统精度； 3 ) 抗干扰性能好； 4 ) 适用于高细分数的静态测量和动态测量； 5 ) 体积减小，操作更方便。 2 3 1 判向与计数 在线位移的测量中，物体运动并非是单向移动。它有正向，也有逆向，但单个 光电元件只能给出脉冲数，而不能辨别移动方向。当指示光栅移动一个栅距时，莫 尔条纹变化一个周期，获得4 个相位相差9 0o 的正弦波的取样信号，即s 。、s 9 。、 s 。、s ：7 0 。4 个正弦信号经整形电路以后输出到相位互差9 0 0 方波脉冲信号，计数 器对脉冲信号进行计数，计数器单元采用两组计数器是为了判断指示光栅运动的方 向，通过判向电路获得一触发信号，通知处理器平台的运动方向。当工作杆前进时， 正向计数器进行加法运算，后退时负向计数器进行加法运算。由于滑片厚度不同， 测头一直处于运动过程中，计数器一直处于计数状态，并时刻等待处理器取当前值。 2 3 2 细分技术 在滑片厚度测量系统中，标尺光栅每移动一个栅距，输出一个脉冲。所谓细分 就是对计数脉冲间隔进行细分，即对一个莫尔条纹，可对应输出多个计数脉冲。从 目前来看，基本的细分原理有三种： 1 2 硕士论文 滑片厚度自动检测系统研究 1 ) 幅值调制细分根据莫尔条纹信号的幅度变化判定相位差从而完成细分； 2 ) 相位调制细分通过莫尔条纹信号的位相决定细分值； 3 ) 倍频细分将莫尔条纹信号的频率进行倍增，使相对于一个莫尔条纹的记数脉 冲成倍增加。 在本测量系统中，硬件细分采用倍频2 0 0 细分，也就是说，栅距是w ，则每检 测到一个信号的测量长度是w 2 0 0 ，采用线数为5 0z m m 的光栅( 也就是栅距为 0 0 2 m m ) ，则经细分后的长度为0 0 0 0 1 m m ，也就是0 1 u m 。 2 3 3 光栅细分卡 为了实现光栅信号的数字细分，在本系统中应用了p c i g s 2 2 0 0 二轴2 0 0 细分 光栅细分采集卡，使输出的两路相位差9 0o 的正弦信号进行2 0 0 细分，从而使测量 分辨率达到o 1j a n ，满足滑片检测系统的需要。其特点如下： 1 ) 具有两个坐标，可接两个正弦光栅位移传感器； 2 ) 每轴有一个2 0 b i t 计数器+ 1 6 b i t ( 2 * 8 b i t ) 插值输出； 3 ) 具有外部触发同步保持功能： 4 ) a d 采样频率8 m s ； 5 )自动修正原始信号的直流漂移和幅度漂移； 6 ) 通用性强，可适用于不同的细分数：4 0 0 2 0 0 1 0 0 8 0 5 0 4 0 2 0 4 ； 刀电路采用c p l d 设计，接口符合p c i 2 1 总线规范； 8 ) 驱动程序可用于w i n g x w i n d o w sm e w i n d o w sx p w i n 2 0 0 0 。 p c i2 0 0 细分采集卡基本原理 p c i 2 0 0 细分采集卡是微机与光栅位移传感器间的接口，可用于以微机为基础的 位移测量或机床的位置反馈系统。其采用高速a d 对光栅尺输出的正交信号进行连 续采集，自动修正原始信号的直流漂移和幅度漂移后，在每个信号周期内对信号进 行连续精确地插值，配合2 0 b i t 可逆计数器对信号周期进行计数，从而构成高速高 分辨率的增量测量系统。 颂士论文 滑片厚度自动检测系统研究 图2 9p c i2 0 0 细分采集卡实物图 p c i g s 2 2 0 0 二轴2 0 0 细分采集卡性能指标 1 1 坐标数：2 2 ) 输入信号幅度：5 0 m v p l 卜2 v p p 3 ) 输入信号：so 、s 、s l 、s2 7 0 4 ) 输入信号最高频率： = - 1 0 0 k 。( 1 0 0 线光栅尺6 0 r e r a i n ) 5 1 计数器输出：2 0 位二进制补码 6 ) 插值输出：啦! 0 0 0 0 ，增量为1 0 0 0 0 i 。( i 为细分数) 7 ) 接1 2 1 规范：p c i 2 1 8 ) 驱动程序可用于w i n 9 x w i n d o w sm e w i n 2 0 0 0 w i n d o w sx p p c i 2 0 0 细分采集卡信号定义 1 1p c i 2 0 0 元件位置图 1 4 硕士论文 滑片厚度自动检测系统研究 图2 1 0p c i 2 0 0 元件位置图 图2 1 1p c i 2 0 0 细分采集卡p c b 图 1 5 硕士论文 滑片厚度自动检铡系统研究 2 ) 输入信号插座定义 c n l 0 0 d b 9 f 连接器x 通道光栅尺信号输入接口； c n l 0 1 d b 9 f 连接器y 通道光栅尺信号输入接口。 d b 9 f 连接器信号( c n l 0 0 ，c n l 0 1 ) ： p i nn o 1s 烈 光栅尺信号输入； p 玳n o 2g n d 信号地； p l nn o 3 - c o s 光栅尺信号输入； p i nn o 6+ s i n 光栅尺信号输入； p i n n o 7+5v电源输出； p 烈n o 8+ c o s 光栅尺信号输入； 其余引脚悬空。 2 。4 光栅检测系统误差分析及解决方案 对于一个确定的测量系统总是不可避免的存在误差，为了提高测量精度，必须 尽可能消除或减小误差，因此有必要对在测量过程中出现的各种误差来源、产生的 原因、减小它们的主要方法以及各种误差在总误差中所占的比重等，有较为详细的 认识，这就需要对测量系统的误差进行分析。 2 4 1 莫尔条纹信号质量与误差的关系 在光栅式测量系统中，光栅元件多数是以光栅副方式工作，并以莫尔条纹信号 作为光栅式测量的原始信号。因此，莫尔条纹原始信号质量的好坏，直接影响光栅 系统的正常工作，导致出现测量误差。由于测量误差的大小主要取决于莫尔条纹原 始信号的质量，同时对后面的细分也有相当大的影响，因此对莫尔条纹信号质量的 误差分析也就显得十分重要。测量误差分析主要是对莫尔条纹信号质量各项指标进 行分析。 我们知道，光栅的莫尔条纹信号是一个周期函数，它可展开为如下的付里叶级 数： 上式也可以改写为： 1 6 乃g 、i ， 脚n虬 +聊s0c 月 。蒯 + 0 口 = 、l ，g ， 硕士论文 滑片厚度自动检测系统研究 厂g ) = + 4 。s i n ( n x + ) 一司 ( 2 8 ) 式中，4 = + 研广2 ，= t g “( 口。b ) “o 光栅信号的直流电平； 一m 次谐波的幅值： 1 次谐波的相角。 目前，光栅信号质量指标除光栅尺材料、工艺、刻划技术等方面外，主要是指 光栅副莫尔条纹信号质量指标即“一度四性”： 1 ) 电信号的调制度：也叫对比度或反差，用基波a 。与信号直流电平a 。之比来 评价。一般来说，要不小于0 8 。 2 ) 信号直流电平漂移性：用a 。值在标尺光栅全量程范围内的相对变化来评价。 其引起的误差为均匀性误差又叫直流电平误差，即光栅栅线质量、黑白比、光密度 等因素在整个测量范围内的不一致造成的定位误差。目前一般采用光栅信号的直流 电平变化率来表示，即 8 a 0 = 老焉象畅) 眨。， 目前国内将直流电平的变化率分为三等，即不大于5 、1 0 、1 5 t 1 4 1 。 3 ) 光电信号的正弦性：指同一路莫尔条纹信号中各次谐波幅值a 。与基波a ，之 比。由于光栅信号是由多次谐波成分的非正弦性信号组成的，利用差分放大电路可 以消除二次谐波，但无法消除三次谐波，导致出现误差。因此，在高质量光栅系统 中，应采取必要的空间滤波和电子滤波措施，以提高光栅信号的正弦性。一般来说， 细分数为2 0 0 的系统，信号的三次谐波分量要小于3 。 4 ) 两基准光电信号的正交性：用两路莫尔条纹信号初相角之差来评价。其保证 措施是四相信号取样的正确性。对于细分数为2 0 0 的系统，相位差应小于4o 。 5 ) 两基准光电信号的等幅性：用两路莫尔条纹信号中基波幅值a 之差来评价。 光栅刻线宽度的均匀性和透光性能的一致性，影响两相邻光栅波形的幅度。细分数 为2 0 0 的系统，信号幅度变化要小于6 t 3 5 】。 除了由于达不到光栅信号质量指标而引起的误差之外，还对此系统误差有影响 的有如下几个方面： 1 ) 温度误差。影响其主要因素有两个方面：一是传感器的灵敏度或输出特性随 环境温度的变化而改变；二是运算放大器的温漂。抑制这项误差的方法为前置信号 1 7 硕士论文 滑片厚度自动检测系统研究 处理采用差动放大，这种电路抑制信号中的直流成分，并实现信号放大。并且尽量 采用多个光电二极管集成一体的转换器件，由于各管之间的温度特性比较一致，经 差动放大电路可达到温度误差补偿的作用。随着微机技术的迅速发展，也出现了应 用单片机对此进行智能补偿阻l 。 2 ) 共模电压抑制。光源亮度变化造成的信号直流分量的波动，即所谓的“共模 电压”。由于在光电接收中采用四管差动的接收方法，可有效地消除莫尔条纹信号中 的直流成分及其波动。一般来说，在细分数为1 0 0 的系统中，光源亮度变化造成的 剩余电压小于6 。 3 ) 光电接收中另一个误差因素是实际接收面元与理想接收面元之间的差异。理 想接收面元应该是一个点或与莫尔条纹平行的一条线，被置于光强呈正弦流变化的 莫尔条纹场中，当莫尔条纹匀速移动时，该面元接收到的光信号强度会按三角函数 规律变化。而实际接收面元有一定接收面积，可能导致信号畸变，实际接收到的信 号并菲理想的正弦或余弦信号，已畸变的信号仍按理想正弦或余弦信号处理时就会 存在原理误差，影响测量精度。解决条纹光接收面引入误差的方法为尽可能选用接 收面元小的器件来实现光电转换，例如当器件的接收面宽度为几十微米时，可以认 为是理想面元。 2 4 2 细分方法与误差 实际上，细分误差主要是由光栅信号的正弦性、正交性和直流电平的变化等引 起，偏离理想状态而引入的随机误差。此项误差可用双频激光干涉仪检测。因此， 光栅式位移测量系统的精度不能独立于细分法。般光路部分引入的误差都体现在 莫尔条纹信号质量上，而细分法决定了莫尔条纹信号质量与测量精度之间的关系。 总之，要减小细分误差，必须提高莫尔条纹信号质量。选用均匀性误差小的光 栅和直流漂移小的光电接收和信号处理器件，减小杂散光的影响，减小光源光强的 波动并对其进行补偿。 2 4 3 a d 转换电路引入的误差 软件细分的实施需要依靠a d 转换电路对两路原始信号进行采样。在本电路系 统中主要采取了外接稳压电源、系统内部具有滤波、去耦电路等措施，来给a d 芯 片提供一个较好的参考电压，从而减少这部分电路给系统带来的误差。 2 4 4 辨向电路引入的误差 辨向电路采用可编程逻辑器件，降低系统功耗，减少电路之间的干扰。采用这 种方法造成的系统误差很小。 1 8 硕士论文 滑片厚度自动检测系统研究 2 5 本章小结 本章通过对各种厚度检测技术进行介绍和分析比较，根据滑片厚度检测的实际 需求，选用光栅式位移检测技术。详细介绍了光栅式位移检测技术工作原理。而后 介绍了应用的光栅数字细分采集卡的工作原理，同时对信号的采集、数字细分作了 介绍。最后对光栅位移检测系统误差进行了系统分析，对影响测量精度的主要因素 光栅信号质量进行了重点分析，并提出了减小的措施。表2 1 列出了滑片常用厚度 检测的方法及性能参数，并综合其优缺点。 表2 1 滑片厚度检测方法比较 方法分辨率岫量程n l i n适用对象缺点 同位素 1 4 1 0 0 板材 射线对人体有害，成本 高，维护困难 涡流式 1 01 1 0 0 测量金属材料上非金属磁场不易屏蔽，易干扰， 涂层、金属涂镀层厚度 动态响应差，温漂严重。 激光 2 1 0 0 板材( 除金属机加工面)复杂，成本高 超声波 2 0 0 02 0 0 1 0 0 0 0大厚度值或多层材料测量需耦合介质 电感式 o 15 现场在线非高速测量工作频率很难提高，动 态响应速度很慢 光学计 o 0 1 s t d _ d a m e n d + h l c v m ； s t 面平行差， f l o a tp d ，i n c m i n ，i i l c m a x ； i n e m i n = m i n ( f s m i n , 仃m i n ) ； i n c m a x = m a x ( i s m a x ，f r m a x ) ； p d = h c m a x i n c m i n ； 胛v 值计算 丘n i n = f m a x = p d a t a 0 ； f o r ( i = 0 ；i p o a o p e n ) m s c o m m - p o r t o p e n = f a l s e ； m s c o m m - c o m m p o r t = v t s d a m t e s t l n i c o m p o r t ； 端口号 m s c o m m - p o r t o p e n = t r u e ； 打开c o m 口 m s c o m m - i n p u t m o d e = 1 ：，二进制格式发送接收 m s c o m m - i n b u f f e r c o u n t = o ：清空发送区 m s c o m m - o u t b u f f e r c o u n t = o ：清空接收区 ，i 卖r s 2 3 2 串行通信口 豆= 疆疆嫩点蝥鞠霎鬟鼢翳 【m s c o m m - f - o m r - _ j p o o e t l i le ”n t s c o m m p o r i2 c u t , o rc o e f a u l t d t r e n a b l eu u e e o f e n a b bf a l s e h a m y ：b h a k i n g0 。 h e i g b a 3 2 h e l p c o n t 目t 0 h e i p k e y w o r d ，h e l p t y p e，h t c o r 炮x t 。 h j n i i n b u f t e r s i z e1 1 0 2 4 i n p u t l 0 l n p u 洲o d e 0 l e f t5 4 4 n a m em s c o m m n u l l d i o e s r df