摘要：為了實(shí)現(xiàn)直線位移的量值溯源，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種能時(shí)直線位移進(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；直線位移；校準(zhǔn)裝置；光柵尺

    直線位移是長(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)用的直線位移測(cè)量裝置，由于目前直線位移傳感器技術(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)、通用的直線位移校準(zhǔn)裝置。該裝置研制實(shí)現(xiàn)后，對(duì)各種直線位移運(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)線接觸被測(cè)移動(dòng)部件的基準(zhǔn)端面，被測(cè)工件的直線位移通過(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)軸線與讀數(shù)滑臺(tái)移動(dòng)軸線平行。
    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)采用直線光柵尺作為測(cè)量基準(zhǔn)，直線光柵尺測(cè)量軸向直線位置時(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??；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
    雖然直線光柵尺測(cè)量直線位移的特點(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。
    直線光柵尺依靠掃描單元的直線移動(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)了切線接觸式動(dòng)態(tài)耦合方式，如圖3所示。該方式是在直線光柵尺的測(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，使軸向切線與被測(cè)件基準(zhǔn)端面相接觸，并讀直線光柵尺的直線位移測(cè)量讀數(shù)。

3．3 功能設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)直線位移校準(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)直線光柵尺至軸顯示為零，即為中心位置。
    線性誤差補(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)量的線性誤差、直線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)件安裝與直線光柵尺不平行，導(dǎo)致直線光柵尺與被測(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。