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光柵數顯系統在點位測量中的誤差分析及改進措施
閱讀：270 發布時間：2020-8-7光柵數顯系統在點位測量中的誤差分析及改進措施
摘 要：介紹了在三坐標測量機研制中，對光柵測量系統的設計時產生的測量誤差的原因進行了分析，并提出了解決方案。實驗證明，該方法可很好地解決測量誤差的問題。
微電子和計算機技術的發展，使采用光柵傳感器作為長度、角度檢測元件的自動檢測技術已在自動控制、數控機床、儀器儀表及計量儀器等領域中得到普遍應用。根據儀器的測量原理的不同，光柵信號處理電路的光柵數顯表的設計原理也有所不同，這就要求在設計儀器時根據儀器所采用的測量方法的不同而選用不同的光柵數顯表。
1、光柵數顯表簡介
目前市面上光柵信號的處理電路大部分是微機型光柵數顯系統。下面以某公司生產的光柵數顯表為例闡述其基本的工作原理。原理框圖如圖1所示(光柵信號為三路X、Y、Z，這里只畫一路)。光柵的輸出的信號經過放大、整形、細分、辨向后，輸出脈沖信號，兩片8253可編程計數器對脈沖進行計數。8253有3個獨立的通道，各通道均為16位2進制計數器，計數速率均為2.6Mkz，8253可由軟件控制。每一路用2個計數器分別作為加計數器和減計數器，計數器的容量可達216，即64K，只要CPU對8253在兩次采樣間隔內不發生計數溢出，便可滿足響應要求。8253的連接圖如圖2所示。微處理器周期地對2個8253計數器采樣，通過運算求出它們的增量的大小和方向，再與原累積值相加，得到該采樣周期的位移，新的累積值是位移坐標。數顯表細分倍數為20，小分辨率為0.5μm，微處理器為8031單片機。此數顯表為微機型光柵數顯表，對數據的鎖存是通過軟件來實現的。這種數顯表在許多閉環系統的位置反饋環節中(數控機床)，以及長度測量中(如測長儀，測微儀等靜態測量儀器)得到廣泛的使用。但這種數顯表應用到需要實時保存數據的高精密的點位測量儀器中(如三坐標機)，將會產生很大的測量誤差。下面以此光柵數顯表為例，分析這種數顯表在長度測量的點位測量場合時產生誤差的原因。
2、光柵測量系統產生誤差的原因
在長度測量的點位測量場合應用這種光柵測量系統時，產生誤差的主要原因是由于系統的某些環節的速度跟不上而使系統產生延時所致。一般來說，現代集成技術的發展，電路及元件的響應速度應是很快的，可達納秒級水平，相對于光柵10m/min的移動速度，電路及元件的延時可以忽略不計，系統的延時主要是由軟件產生的延時所至。
此數顯表的工作原理圖如圖2所示。計數器采用的是兩片8253可編程計數器，與CPU的連接見圖2。數顯表的分辨率為0.5μm，微處理器為8031單片機，為微機型光柵數顯表，對數據的鎖存是通過軟件來實現的，軟件的延時是產生誤差的原因。
現以測量機的測量過程為例來進行具體分析。為了簡單起見，只測量X方向的值(x變化，y、z不變，使被檢測的量塊工作尺寸方向與X方向平行，量塊工作尺寸為X方向的坐標差的值)，其采數過程是這樣的，當測頭與工件接觸時測頭發出觸發脈沖(此時工件的被測點的坐標為(x、y、z))，此脈沖送入8031單片機內作為中斷信號使程序產生中斷，轉入執行中斷采數子程序，采集8253計數器的數據送入CPU加以處理。測點1的X方向坐標為X1，測點2的X方向坐標為X2，則量塊的尺寸L＝｜X2－X1｜。如圖3所示，當測點1與測頭接觸時，此時坐標為X1，測頭產生脈沖引起中斷(此時刻為t1，執行中斷子程序采集數據的時刻為t1′)。工件會由于慣性而繼續向前運動，在t1′時坐標為X1′，這樣X1′＝X1－ΔX1。同理，計算機采到的工件的測點2坐標值為X2′，實際需要的坐標為X2，則X2′＝X2＋ΔX2。測量計算出來的值為：L′＝｜X2′－X1′｜，則L－L′＝ΔX1＋ΔX2。把匯編程序讀出來并反匯編成源代碼后，對源代碼加以分析可以計算出軟件的延時Δt。
這臺數顯表使用的CPU為8031，其晶振為6MHz，機器周期為1μs。典型的指令周期(執行一條指令的時間)為一個機器周期。當單片機確定請求有效到進入響應狀態，執行中斷子程序時，至少3個機器時間間隔；單片機響應中斷，必須在當前指令執行完后才進行，這就可能增加2～4個機器時間間隔；當單片機正在執行RETI或讀寫IE、IP指令時，單片機響應中斷，必須等待2～5個機器時間間隔。總之，單片機響應中斷響應時間為5～12機器時間間隔［2］。
其中斷采數程序框圖如圖4所示。其程序如下：
從上面的中斷子程序可以看出，將8253的計數器的值鎖存后再讀出來時就不會產生誤差。把中斷子程序的指令歸類，匯總計算執行這些指令所須的機器周期數，如下表1所示。從表1可以看出，從測頭接觸工件發出觸發脈沖，到數顯表讀到數據時共有33～40個機器周期的延時，即33～40μs的延時。設延時的時間間隔為Δt，工件的測量移動速度為v m／min（v＜10m／min)，則每微秒移動的距離為v/60μm，在測測點1時的速度為v1／60μm，在測測點2時的速度為v2／60μm。測量圖如圖5所示。
表1 程序中所用的指令統計表
項目 | 數量 | 指令所需的機器周期數 | 總計機器周期數 |
中斷等待 | 5～12 | 5～12 | |
PUSH指令 | 6 | 2 | 12 |
MOV指令 | 6 | 1 | 6 |
MOVX指令 | 10 | 2 | 20 |
合計 | 33～40 |
被測工件的長度為：L12＝X1－X2(準確值)。
測量出工件的長度為：
L12′＝X1′－X2′
＝（X1－ΔX1）－（X2＋ΔX2）
＝（X1－X2）－（ΔX1＋ΔX2）
則產生的誤差為：
ΔL＝L12－L12′
＝ΔX1＋ΔX2
＝（Δt1v1＋Δt2v2）／60μm
且由于v1、v2＜10m／min，Δt1、Δt2為33～40μs，這幾個參數在一定范圍內不定，則測量誤差ΔL也不確定，從而測量的重復性差，且0＜ΔL＜13．3μm。假設
v1＝v2＝2m／min，Δt1＝Δt2＝35μs，則
ΔL＝（Δt1v1＋Δt2v2）／60μm
＝（2×35×2）／60＝2．3μm
從上式還可看出測量的誤差還跟測量時測頭與工件的接觸速度有關。
3、實驗結果驗證
三坐標測量機采用的測量方法主要是點位測量。上述的數顯表應用在三坐標測量機時，由于其不具備實時保存數據的能力，系統的延時會使測量系統具有很大的原理性誤差，不可忽視。作者在研制三坐標測量機時曾遇到上述問題。測量機上使用的數顯系統跟上述的型號一樣。測量機設計的分辨率為0.5μm，三維空間精度1+L/300(μm），工作臺范圍為300×300×400(mm)。
當機電聯調好后，用一量塊來檢測三坐標的單軸測量精度。測量示意圖如圖5。將公稱尺寸為200mm的量塊用虎鉗夾好，用千分表將其調整與X軸平行(測X軸)，量塊的兩工作面與Y軸并行測量時將Y、Z軸鎖定，這樣就保證量塊的工作面的距離值(公稱尺寸)就是兩測點(測點1和測點2)在X軸方向上的坐標的差值。測量了五次，結果如表2：
測量次數 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
測量結果 | 200mm +1μm | 200mm +4μm | 200mm +8μm | 200mm +2μm | 200mm +10μm |
誤差值 | 1μm | 4μm | 8μm | 2μm | 10μm |
從表2的測量數據來看，測量精度超出設計精度，測量數據的離散性大，重復精度很差，且穩定性差(其他兩軸方向Y、Z也有類似的結果)。在測試中還發現誤差的大小與測量時測頭與工件的接觸速度很有關系，速度大，誤差大，當速度為零時誤差在允許的范圍內，測量結果很好，測量誤差小于1μm且重復性很好。這個測量結果與設計指標相差甚遠，排除了其他方面的原因，通過對光柵數顯表進行分析，認為數顯表的軟件的延時是產生誤差的原因。
4、解決方案
三坐標測量機測量是屬于點位測量，它的測量系統必須具有實時數據鎖存的功能，為了達到這一要求，對原有的數顯表加以改進。把8253計數脈沖源斷開，使8253計數器無效。在數顯表內加入一附加的實驗電路板(多片192計數器串連和多片373寄存器串連)，把計數脈沖引入192計數器中，寄存器的輸入端與計數器相連，輸出端與CPU的P1口數據總線相連，中斷源同時跟微處理的中斷口和寄存器相連，使中斷信號可同時送到寄存器和微處理中，其改進后的基本原理框圖如圖6所示。為了與改裝后的硬件相適應，對軟件重新改寫，編譯寫入程序存儲器中。改造完成后進行測試，誤差能很好地控制在1μm以內。為了充分利用微機的功能，使儀器緊湊，且提高儀器的可靠性，將數顯表的功能以計算機板卡的形式實現。方案原理圖如圖7所示。原理圖虛框內為光柵數據采集卡原理圖，采用微機插卡的形式代替光柵數顯表。計數器采用192或193可逆計數器，寄存器采用74LS173(其帶有三態門3D鎖存器)，從三維測頭發出的觸發脈沖接入寄存器的三態門的使能信號輸入端，同時作為微機的IQR3的中斷源。當觸發脈沖到來時，立即把計數器里的值打入寄存器中，同時引起計算機中斷，執行中斷采數子程序。當沒有觸發脈沖時，微機循環采數，連續顯示當前的坐標值。采數接口程序框圖如圖8所示。此程序采用C語言編寫，中斷子程序(函數)采用內嵌式匯編編寫。按照此原理制作的光柵采數接口卡插入微機內，并與光柵傳感器連接調整好后，測量精度及重復精度都能很好地控制在1μm以內，達到了設計要求。
5、結論
本文分析了在設計儀器時，對不具備實時數據鎖存的光柵數顯表應用在點位測量場合產生的誤差進行了分析，找出了產生誤差的原因。因光柵測量系統類型繁多，且測量精度和適用范圍不同，所以在設計機床和儀器時，應根據不同的具體情況選擇不同的光柵的測量系統，如有可能因盡量了解系統的工作原理，看其是否與自己設計的機床或儀器相符合，否則有可能發生選型失誤，造成不必要的損失。