航空计测技术
AVIATION METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY
1999年　第19卷　第6期　Vol.19　No.6　1999



圆光栅检测仪的研制
李俊强　熊昌友　李太景　焦仁民
　　摘要　介绍了一种高精度、精密、自动化、动态测量的光栅检测仪，测量光栅盘的扩展不确定度为0.08″。该仪器采用了高回转精度的空气静压轴承及多头均化技术，减小了参考盘刻划误差的影响，同时，采用了计算机系统控制测量过程，进行数据处理，实现了自动化测量，检测结果和误差曲线由打印机打印输出。
　　关键词　圆光栅　动态检测　计算机控制　自动检测
Development of Circle Grating Tester
Li Junqiang,Xiong Changyou,Li Taijing,Jiao Renmin
　　Abstract　An automatic circle grating dynamic testing instrument with high accuracy is presented in this paper.The expending uncertainty during dynamic measurement of circle grating is 0.08″.A high rotation precision air static pressure bearing and multiprobe homogenization technique are adopted to the instrument for decreasing the effect of the error of the reference ruled grating disc.In the meantime,the computer system is adopted to control the measuring process and process the data,thereby the automatic measurement is realized.The result of test and measurement and the error curve are printed by the printer.
　　Key words　Circle grating,Dynamic testing ,Computer control,Automatic testing
　　计量光栅具有信号强，反差高、非接触及响应速度快等优点。近年来，光栅技术发展日渐成熟，精度越来越高，应用越来越广泛。圆光栅用于测角仪器还有其独到的优点，就是应用圆周误差的封闭性，采用全积分或多头读数，可以将圆光栅的刻划误差减小，使系统具有较高的测角精度。利用气浮轴承、光栅细分技术和误差修正技术实现了动态测量。
1　仪器主要技术指标
　　测量光栅扩展不确定度为U＝0.08″(k＝3)，仪器的分辨力为0.01″。单项技术指标：
　　●合成信号的正交性：90 °±0.5 °；
　　●合成正弦、余弦信号的不等幅性：≤0.6％；
　　●合成正弦、余弦信号的失真度：≤1.2％；
　　●直流电平的相对变化量：≤1.0％；
　　●光强变化量：≤0.2％／4 h。
2　结构原理和单元技术
2.1　工作原理
　　圆光栅测角仪，是一台光、机、电一体化的高精度自动化角度检测仪。它由精密空气轴系、压缩空气供给系统、驱动稳速系统、基准光栅盘、工作台部件、标准莫尔条纹的产生系统、光电信号接收系统、差分、放大、细分系统、计数系统、计算机及其软件控制系统等组成，如图1所示。



图1　圆光栅测角仪原理图
1.被检盘信号接受器；2.被检光栅盘；3.光源系统；4.标准盘信号接受器；
5.基准光栅盘；6.驱动稳速系统；7.工作台部件；8.空气轴系；9.计算机系统;
10.干燥系统；11.空压机系统
　　在仪器工作时，放置在工作台上的陪测光栅盘随仪器同步转动，陪测光栅盘和基准光栅盘每转过一条栅线，它们各自都会产生一个完整的正弦(余弦)信号，经过差分,放大,调整，进入计算机细分、计数系统。当陪测盘计数系统计到给定的值时，就会发出一个采样脉冲，允许A／D采集器采集基准光栅信号的当前值，并将所采集的值转换成角度值，此角度值与理论角度值之差，即是陪测盘该刻线的分度误差值。由此分度误差值再计算其它的有关误差参数。
2.2　单元技术
2.2.1　机械系统
　　本课题机械系统的关键是空气轴承和162000线的基准圆光栅盘的设计和实施。
1)基准光栅盘的设计
　　基准光栅盘，是仪器的核心元件，对其技术指标，必须有很高的要求。经过分析计算，其设计参数是：
　　●全周刻线数：162000条。
　　●刻划中径Φ412.53 mm，线长14 mm。
　　●最大直径误差小于±0.2″。
　　●封闭性误差小于0.2″，短周期误差小于0.2″。
　　●均匀性误差小于10％。
　　●最大直径Φ445 mm，厚度35 mm。
　　●具有零位光栅。
　　2)空气轴承的设计
　　空气静压轴承是由外部加压气体，经节流器喷射到轴承表面的一种气体轴承。这股气流在轴承表面之间形成压力气膜，这层气膜只有很薄的一层，使气轴悬浮在轴套中。假如气流提供的压力为P-0，节流器出口处的气腔压力为P-d，当轴受一径向力W后向左偏移△h，如图2所示，则所偏移的一侧间隙h-1减小，通过节流小孔的气流量就减少，气腔压力P-{d1}上升，而对侧的气隙间h-2增大，气腔压力P-{d2}下降。直径方向两个对向气腔压力的变化，如图3所示曲线。当轴心偏移△h后，其压力差为△p。由于产生压力差使得空气轴能随一定的载荷，并具有一定的径向刚度，产生一个稳定轴心的作用力，以维持轴的高精度旋转。


图2　空气轴承工作原理图


图3　压力与间隙变化曲线
　　根据上述分析,并参照圆内外一些优选参数及所需的刚度和承载力大小,对空气轴承基本参数选取如下:
　　●轴向气隙h-1＝12.8 μm
　　●径向气隙h-2＝20.0 μm
　　●气腔轴直径d＝2a＝120 mm
　　●气腔轴套内径d-1＝2a＝120 mm
　　●上、下止推盘外径D＝2b＝288 mm
　　●气腔轴长度L＝180 mm
2.2.2　电器系统
　　仪器的电气系统是以386计算机为中心，用来控制整个测量过程的每个步骤，并将采集到的信息进行处理，在屏幕上显示或打印出测量数据和检测的数据曲线。图4为电气系统总体逻辑框图。


图4　圆光栅测角仪电气系统总体逻辑框图
1)控制板单元
　　控制框图如图5所示。控制系统的工作方式有两种：一种是人工手动操作控制方式；另一种是由计算机程序控制的自动控制方式。当手动控制时，采集到调整码盘的速度信息和来自控制人员的按键设置正行、返行、停止信息,然后将此信息传送到稳速系统去控制电机的转动。电机可以正向、反向两个方向转动，驱动空气轴的速度在0.0024 ～0.5转／min内变化。同时，状态控制键所设置的信息，传送到控制系统，控制各状态继电器、电动气阀和气动开关等，实现各种组合功能。并且把信息反馈到控制系统，驱动各状态指示灯。当自动控制时，通过计算机发出各种控制信息，其它控制过程与手动控制完全相同。


图5　控制系统框图
　　手动控制和自动控制方式的设置，与控制工作台上的按键互相对应，便于更好地操作。
2)光栅信号的产生与处理单元
　　光栅信号包括：零位光栅信号、基准光栅7路信号及合成信号、陪检盘光栅信号。
　　基准光栅盘上刻划有零位光栅，与零位指示光栅相互作用，产生相应信号，经调整后，产生零光栅脉冲信号。
　　基准光栅盘上均匀分布有7路信号，每一路由基准光栅与副光栅相互作用产生信号，由4个互成90°的光电接收器产生4路(sinθ、cosθ、－sinθ、－cosθ)信号，经过差分放大形成两路sinθ和cosθ信号，从而减少漂移和干扰的影响。这样7路的sinθ和cosθ分别合成，得到圆光栅测角仪的标准信号S-R＝Asinθ，C-R＝Acosθ。陪检光栅信号的产生，也是主、副光栅相互作用，产生一路正弦(余弦)信号，经过隔直流处理、调整，形成陪检光栅信号。以上各种信号一同送入到计数、细分系统中作进一步处理。
3)细分计数系统单元
　　细分计数系统，接收到来自基准光栅信号sinθ和cosθ，经跟随和反相后，产生sinθ、cosθ、－sinθ、－cosθ{4个}信号，将它们送给比较器，再经过单稳态触发器，并经适当的逻辑组合，产生增数脉冲和减数脉冲，并依次产生异步脉冲进行双向计数。本系统最多可连续计数6个测回。
　　计数器经过锁存器送入计算机，计算机采数、存储，已备计算使用。
　　细分电路，采用幅值方式进行，对每一个周期信号进行800细分。由于基准光栅盘为162000线，每线间隔角是8″，则进行800细分后，其分辨力优于0.01″。电路接收来自光栅信号产生系统提供的4个(sinθ、cosθ、－sinθ、－cosθ)信号，送入一个多入单出的数字控制模拟开关，经过适当的时序组合，产生一个类似两个周期的三角波信号，并调整其幅值大小，以适应其它电路的要求。当有一个采样信号来到时，则采集当前三角波的电压值和相应的三角波的峰值和谷值，送入A／D转换器，将所采集的模拟量转化成数字量，同时提取计数系统的有关信息，就能计算出所采刻线的位置，进而进行有关的计算。
2.2.3　计算机系统
　　计算机系统主要由386计算机、打印机及相关支持软件组成，实现对全系统中，各项指令及检测量的全过程控制和检测结果的输出打印。
3　不确定度分析与测试
3.1　不确定度分析
　　根据圆光栅测角仪的工作原理，仪器检测光栅盘的合成不确定度，由以下几个方面的不确定度合成。
3.1.1　与基准光栅盘刻划误差有关的不确定度
　　基准光栅盘的刻划误差，如：最大直径间隔误差、封闭性误差、均匀性误差等，虽然经七头读数平均仍有部分残余。经该盘的测试报告知，它的界限为±0.2″，经七头读数均化，其残余一般为原来的1／10～1／5，取1／8计算。按均匀分布讨论,由此产生的测量不确定度
u基＝0.2×0.125／＝0.015″
3.1.2　与轴系误差影响有关的不确定度
　　经检测空气轴承的径向跳动量为0.02 μm，它是空气轴承精度的直接反映，可以看作是空气轴的回转中心和光栅盘的刻划中心的不固定的偏心，偏心对测量带来的附加误差公式为ε＝(e／R)sinφ，其中，e为偏心量，R为光栅盘刻线圆半径，其值为206.26 mm，φ为测量头到以偏心方位为起点的角，当φ取±π／2时，ε取到极值.
ε＝(e／R)sinφ＝0.02×10－3／206.26×sinπ／2
＝1×10－7rad≈0.02″
但标准信号是由七头读数均化合成，轴系误差影响带来的不确定度，可看成均匀分布，其区间为±a.

由此带来的不确定度u-轴为

3.1.3　信号质量对电子细分的影响引起的不确定度
　　基准信号是由多读数头合成的，每一路信号都是由主、副光栅产生的莫尔条纹，由光电管接收，并产生正弦、余弦信号。由于莫尔条纹的质量、光电接收管的性能、电路的调整精度等，都会影响到信号的正弦性、正交性、等幅性、稳定性、同相性以及信号直流电平的变化等，都会带来测量的不确定度。经测试其不确定度u-信＝0.013″。
3.1.4　最小分辨力引起的测量不确定度
　　该不确定度是由仪器分辨力决定的，此项不确定度由下式计算

其中，A为仪器分辨力0.01″。
3.1.5　由随机影响引起的不确定度
　　由全组合法测试仪器的重复性，取其标准偏差为不确定度，则有
u随＝0.016″
　　根据以上分析，仪器检测圆光栅的合成标准不确定度c为

　　取k＝3，其扩展不确定度
U＝3uc＝3×0.026＝0.078≈0.08″
3.2　检测结果
　　用全组合法，以一块64800条刻线的光栅盘作为陪测盘，按照每5°间隔，检测36条直径误差，得到仪器测量光栅盘的扩展不确定度为：第一次检测结果是{0.079″}，第二次检测结果是{0.081″}。仪器的测量重复性按计算公式σ＝([vv]／((n－1)(n－2)))1／2得到，两次都为0.016″。同时，用双观测法检测仪器的测量重复性，从实验中抽出一组数据，如表1所示。
表1

位置123456789101112131415161718
第一次0.1910.1080.003-0.096-0.045-0.019-0.067-0.104-0.123-0.168-0.117-0.084-0.0390.0190.1320.1550.1780.160
第二次0.1900.080-0.014-0.103-0.046-0.030-0.068-0.115-0.091-0.139-0.110-0.117-0.0430.0140.1170.1770.1790.155
差值Ci0.0010.0120.0170.0070.0010.0110.0010.011-0.032-0.029-0.0070.0330.0040.0050.015-0.022-0.0010.005
Ci2(10－6)1144289491121112110248414910891625225484125

由下式计算双观测重复性

此组数据重复性较好，与全组合法测量重复性在同一水平。
4　结论
　　该仪器采用了空气静压轴承，利用多头均化技术和计算机控制。因此，测量精度高，速度快，仪器扩展不确定度为0.08″(k＝3)，测量重复性达到0.016″。
作者简介:李俊强　28岁　男　助理工程师
作者单位:北京长城计量测试技术研究所，北京市1066信箱，100095
参考文献
　　1　沙定国,刘智敏.测量不确定度的表示方法.北京:中国科学技术出版社,1994
　　2　张玉文等.角度锥度及圆分度测量.北京:中国计量出版社,1992
　　3　计量测试技术手册第二卷 几何量.北京:中国计量出版社,1997
　　4　GJB3756-99,测量不确定度的表示及评定
1998-10-09收稿，1998-11-04收修改稿
