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光柵數(shù)顯系統(tǒng)在點(diǎn)位測量中的誤差分析及改進(jìn)措施

閱讀:269          發(fā)布時(shí)間:2020-8-7

光柵數(shù)顯系統(tǒng)在點(diǎn)位測量中的誤差分析及改進(jìn)措施

摘 要:介紹了在三坐標(biāo)測量機(jī)研制中,對光柵測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生的測量誤差的原因進(jìn)行了分析,并提出了解決方案。實(shí)驗(yàn)證明,該方法可很好地解決測量誤差的問題。

微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使采用光柵傳感器作為長度、角度檢測元件的自動(dòng)檢測技術(shù)已在自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、儀器儀表及計(jì)量儀器等領(lǐng)域中得到普遍應(yīng)用。根據(jù)儀器的測量原理的不同,光柵信號(hào)處理電路的光柵數(shù)顯表的設(shè)計(jì)原理也有所不同,這就要求在設(shè)計(jì)儀器時(shí)根據(jù)儀器所采用的測量方法的不同而選用不同的光柵數(shù)顯表。

1、光柵數(shù)顯表簡介

目前市面上光柵信號(hào)的處理電路大部分是微機(jī)型光柵數(shù)顯系統(tǒng)。下面以某公司生產(chǎn)的光柵數(shù)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(hào)為三路X、Y、Z,這里只畫一路)。光柵的輸出的信號(hào)經(jīng)過放大、整形、細(xì)分、辨向后,輸出脈沖信號(hào),兩片8253可編程計(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。8253有3個(gè)獨(dú)立的通道,各通道均為16位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)速率均為2.6Mkz,8253可由軟件控制。每一路用2個(gè)計(jì)數(shù)器分別作為加計(jì)數(shù)器和減計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器的容量可達(dá)216,即64K,只要CPU對8253在兩次采樣間隔內(nèi)不發(fā)生計(jì)數(shù)溢出,便可滿足響應(yīng)要求。8253的連接圖如圖2所示。微處理器周期地對2個(gè)8253計(jì)數(shù)器采樣,通過運(yùn)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(biāo)。數(shù)顯表細(xì)分倍數(shù)為20,小分辨率為0.5μm,微處理器為8031單片機(jī)。此數(shù)顯表為微機(jī)型光柵數(shù)顯表,對數(shù)據(jù)的鎖存是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。這種數(shù)顯表在許多閉環(huán)系統(tǒng)的位置反饋環(huán)節(jié)中(數(shù)控機(jī)床),以及長度測量中(如測長儀,測微儀等靜態(tài)測量儀器)得到廣泛的使用。但這種數(shù)顯表應(yīng)用到需要實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)的高精密的點(diǎn)位測量儀器中(如三坐標(biāo)機(jī)),將會(huì)產(chǎn)生很大的測量誤差。下面以此光柵數(shù)顯表為例,分析這種數(shù)顯表在長度測量的點(diǎn)位測量場合時(shí)產(chǎn)生誤差的原因。

2、光柵測量系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因

  在長度測量的點(diǎn)位測量場合應(yīng)用這種光柵測量系統(tǒng)時(shí),產(chǎn)生誤差的主要原因是由于系統(tǒng)的某些環(huán)節(jié)的速度跟不上而使系統(tǒng)產(chǎn)生延時(shí)所致。一般來說,現(xiàn)代集成技術(shù)的發(fā)展,電路及元件的響應(yīng)速度應(yīng)是很快的,可達(dá)納秒級水平,相對于光柵10m/min的移動(dòng)速度,電路及元件的延時(shí)可以忽略不計(jì),系統(tǒng)的延時(shí)主要是由軟件產(chǎn)生的延時(shí)所至。

  此數(shù)顯表的工作原理圖如圖2所示。計(jì)數(shù)器采用的是兩片8253可編程計(jì)數(shù)器,與CPU的連接見圖2。數(shù)顯表的分辨率為0.5μm,微處理器為8031單片機(jī),為微機(jī)型光柵數(shù)顯表,對數(shù)據(jù)的鎖存是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的,軟件的延時(shí)是產(chǎn)生誤差的原因。

現(xiàn)以測量機(jī)的測量過程為例來進(jìn)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(biāo)差的值),其采數(shù)過程是這樣的,當(dāng)測頭與工件接觸時(shí)測頭發(fā)出觸發(fā)脈沖(此時(shí)工件的被測點(diǎn)的坐標(biāo)為(x、y、z)),此脈沖送入8031單片機(jī)內(nèi)作為中斷信號(hào)使程序產(chǎn)生中斷,轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷采數(shù)子程序,采集8253計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)送入CPU加以處理。測點(diǎn)1的X方向坐標(biāo)為X1,測點(diǎn)2的X方向坐標(biāo)為X2,則量塊的尺寸L=|X2-X1|。如圖3所示,當(dāng)測點(diǎn)1與測頭接觸時(shí),此時(shí)坐標(biāo)為X1,測頭產(chǎn)生脈沖引起中斷(此時(shí)刻為t1,執(zhí)行中斷子程序采集數(shù)據(jù)的時(shí)刻為t1′)。工件會(huì)由于慣性而繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),在t1′時(shí)坐標(biāo)為X1′,這樣X1′=X1-ΔX1。同理,計(jì)算機(jī)采到的工件的測點(diǎn)2坐標(biāo)值為X2′,實(shí)際需要的坐標(biāo)為X2,則X2′=X2+ΔX2。測量計(jì)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(jì)算出軟件的延時(shí)Δt。

這臺(tái)數(shù)顯表使用的CPU為8031,其晶振為6MHz,機(jī)器周期為1μs。典型的指令周期(執(zhí)行一條指令的時(shí)間)為一個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)單片機(jī)確定請求有效到進(jìn)入響應(yīng)狀態(tài),執(zhí)行中斷子程序時(shí),至少3個(gè)機(jī)器時(shí)間間隔;單片機(jī)響應(yīng)中斷,必須在當(dāng)前指令執(zhí)行完后才進(jìn)行,這就可能增加2~4個(gè)機(jī)器時(shí)間間隔;當(dāng)單片機(jī)正在執(zhí)行RETI或讀寫IE、IP指令時(shí),單片機(jī)響應(yīng)中斷,必須等待2~5個(gè)機(jī)器時(shí)間間隔。總之,單片機(jī)響應(yīng)中斷響應(yīng)時(shí)間為5~12機(jī)器時(shí)間間隔[2]。

其中斷采數(shù)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(jì)數(shù)器的值鎖存后再讀出來時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生誤差。把中斷子程序的指令歸類,匯總計(jì)算執(zhí)行這些指令所須的機(jī)器周期數(shù),如下表1所示。從表1可以看出,從測頭接觸工件發(fā)出觸發(fā)脈沖,到數(shù)顯表讀到數(shù)據(jù)時(shí)共有33~40個(gè)機(jī)器周期的延時(shí),即33~40μs的延時(shí)。設(shè)延時(shí)的時(shí)間間隔為Δt,工件的測量移動(dòng)速度為v m/min(v<10m/min),則每微秒移動(dòng)的距離為v/60μm,在測測點(diǎn)1時(shí)的速度為v1/60μm,在測測點(diǎn)2時(shí)的速度為v2/60μm。測量圖如圖5所示。

1 程序中所用的指令統(tǒng)計(jì)表

項(xiàng)目

數(shù)量

指令所需的機(jī)器周期數(shù)

總計(jì)機(jī)器周期數(shù)

中斷等待

512

512

PUSH指令

6

2

12

MOV指令

6

1

6

MOVX指令

10

2

20

合計(jì)

3340

被測工件的長度為:L12=X1-X2(準(zhǔn)確值)。

  測量出工件的長度為:

  L12′=X1′-X2′

=(X1-ΔX1)-(X2+ΔX2)

     =(X1-X2)-(ΔX1+ΔX2)

則產(chǎn)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(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不定,則測量誤差ΔL也不確定,從而測量的重復(fù)性差,且0<ΔL<13.3μm。假設(shè)

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(shí)測頭與工件的接觸速度有關(guān)。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

三坐標(biāo)測量機(jī)采用的測量方法主要是點(diǎn)位測量。上述的數(shù)顯表應(yīng)用在三坐標(biāo)測量機(jī)時(shí),由于其不具備實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)的能力,系統(tǒng)的延時(shí)會(huì)使測量系統(tǒng)具有很大的原理性誤差,不可忽視。作者在研制三坐標(biāo)測量機(jī)時(shí)曾遇到上述問題。測量機(jī)上使用的數(shù)顯系統(tǒng)跟上述的型號(hào)一樣。測量機(jī)設(shè)計(jì)的分辨率為0.5μm,三維空間精度1+L/300(μm),工作臺(tái)范圍為300×300×400(mm)。

當(dāng)機(jī)電聯(lián)調(diào)好后,用一量塊來檢測三坐標(biāo)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(diào)整與X軸平行(測X軸),量塊的兩工作面與Y軸并行測量時(shí)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(diǎn)(測點(diǎn)1和測點(diǎn)2)在X軸方向上的坐標(biāo)的差值。測量了五次,結(jié)果如表2:

表2 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表

測量次數(shù)
1
2
3
4
5
測量結(jié)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(shù)據(jù)來看,測量精度超出設(shè)計(jì)精度,測量數(shù)據(jù)的離散性大,重復(fù)精度很差,且穩(wěn)定性差(其他兩軸方向Y、Z也有類似的結(jié)果)。在測試中還發(fā)現(xiàn)誤差的大小與測量時(shí)測頭與工件的接觸速度很有關(guān)系,速度大,誤差大,當(dāng)速度為零時(shí)誤差在允許的范圍內(nèi),測量結(jié)果很好,測量誤差小于1μm且重復(fù)性很好。這個(gè)測量結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)相差甚遠(yuǎn),排除了其他方面的原因,通過對光柵數(shù)顯表進(jìn)行分析,認(rèn)為數(shù)顯表的軟件的延時(shí)是產(chǎn)生誤差的原因。

4、解決方案

三坐標(biāo)測量機(jī)測量是屬于點(diǎn)位測量,它的測量系統(tǒng)必須具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鎖存的功能,為了達(dá)到這一要求,對原有的數(shù)顯表加以改進(jìn)。把8253計(jì)數(shù)脈沖源斷開,使8253計(jì)數(shù)器無效。在數(shù)顯表內(nèi)加入一附加的實(shí)驗(yàn)電路板(多片192計(jì)數(shù)器串連和多片373寄存器串連),把計(jì)數(shù)脈沖引入192計(jì)數(shù)器中,寄存器的輸入端與計(jì)數(shù)器相連,輸出端與CPU的P1口數(shù)據(jù)總線相連,中斷源同時(shí)跟微處理的中斷口和寄存器相連,使中斷信號(hào)可同時(shí)送到寄存器和微處理中,其改進(jìn)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(yīng),對軟件重新改寫,編譯寫入程序存儲(chǔ)器中。改造完成后進(jìn)行測試,誤差能很好地控制在1μm以內(nèi)。為了充分利用微機(jī)的功能,使儀器緊湊,且提高儀器的可靠性,將數(shù)顯表的功能以計(jì)算機(jī)板卡的形式實(shí)現(xiàn)。方案原理圖如圖7所示。原理圖虛框內(nèi)為光柵數(shù)據(jù)采集卡原理圖,采用微機(jī)插卡的形式代替光柵數(shù)顯表。計(jì)數(shù)器采用192或193可逆計(jì)數(shù)器,寄存器采用74LS173(其帶有三態(tài)門3D鎖存器),從三維測頭發(fā)出的觸發(fā)脈沖接入寄存器的三態(tài)門的使能信號(hào)輸入端,同時(shí)作為微機(jī)的IQR3的中斷源。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí),立即把計(jì)數(shù)器里的值打入寄存器中,同時(shí)引起計(jì)算機(jī)中斷,執(zhí)行中斷采數(shù)子程序。當(dāng)沒有觸發(fā)脈沖時(shí),微機(jī)循環(huán)采數(shù),連續(xù)顯示當(dāng)前的坐標(biāo)值。采數(shù)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(shù))采用內(nèi)嵌式匯編編寫。按照此原理制作的光柵采數(shù)接口卡插入微機(jī)內(nèi),并與光柵傳感器連接調(diào)整好后,測量精度及重復(fù)精度都能很好地控制在1μm以內(nèi),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5、結(jié)論

本文分析了在設(shè)計(jì)儀器時(shí),對不具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鎖存的光柵數(shù)顯表應(yīng)用在點(diǎn)位測量場合產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析,找出了產(chǎn)生誤差的原因。因光柵測量系統(tǒng)類型繁多,且測量精度和適用范圍不同,所以在設(shè)計(jì)機(jī)床和儀器時(shí),應(yīng)根據(jù)不同的具體情況選擇不同的光柵的測量系統(tǒng),如有可能因盡量了解系統(tǒng)的工作原理,看其是否與自己設(shè)計(jì)的機(jī)床或儀器相符合,否則有可能發(fā)生選型失誤,造成不必要的損失。

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