光栅位移测量在电感生产中的应用

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摘要：阐述了如何利用光栅精密测量的特性，实现电感生产过程中送线长度的测量与控制，采用了脉冲辩向及四倍频电路以实现信号方向识别和提高测量精度。
　　关键词：光栅，精密测量，脉冲辩向，电感
　　1引言
　　电感线圈的传统生产方式，是由机器将漆包线绕制成线圈形状后切断，再通过人工对线圈的两插脚去漆、搪锡。这样的生产方式虽然对送线长度的精确度没有过高的要求，但生产效率低，质量波动大，不适于大批量生产。为此，笔者对传统的生产设备和制造工艺进行了改进：从线材的送进、去漆、绕制、切断到搪锡全过程实现了机器自动生产。其中，对送线机构送线长度的控制采用了光栅传感位移测量控制技术，设计制作了以单片机为核心的控制系统，使得送线和蔗的精确性和一致性达到了理想的效果，极大地提高了产品质量和生产效率。
　　2检测控制的对象
　　改进后的线圈绕制工艺流程为：由送线机构送来的漆包线经刮刀去除漆层，再由卷绕芯棒绕制成线圈状后切断，然后，经排列装置将其排列整齐搪锡。其流程如图1所示。
　　由于采用了一边去漆一边绕制的方法，因而，对送线长度的精确性要求很高。送线机构每次送过的线长必须等于线圈展开长度，否则，就不能保证切刀的切断位置正好为去漆段长度的中心位置，如图2所示。在正常送线状态下，卷绕完成后切刀在去漆段中心位置将成品与线材切断分离。如果送线多送或少送的话，则造成切断位置不在去漆段中心处，使得线圈两插脚去漆处长短不一而产生次品或废品。
　　假如每次送线有0.5mm误差的话，送线10次误差就达0.5mm，而机器绕制圈的速度一般为每分钟20个～30个，则一分钟送线长度的误差可达1mm～1.5mm，送线误差的积累会造成大量废品。因此，为了精确地控制送线机构的位移量（进线位移、复位位移），保证产品的质量，在送线机构上配置了光栅位移测量装置，以提高送线机构的位移精度并对其位移量进行控制。
　　3光栅测量原理
　　送线机构上配置的测量光栅由标尺光栅和指示光栅组成。用厚度为0.06mm的不锈钢片作为光栅材料，通过特殊的工艺在不锈钢片表面均匀地刻上100对/mm透光镂空和不透光条纹。
　　把指示光栅安装在送线机构上，而标尺光栅固定于机架上，而标尺光栅固定于机架上，并使二者之间保持0.03mm～0.06mm的间隙以避免摩擦，且在安装时使二者的光栅纹线之间形成一个小夹角，当光线透过光栅时，指示光栅纹时，指示光栅上就会产生若干条粗的明暗条纹，这就是莫尔条纹。当指示光栅相对于标尺光栅作左右移动时，莫尔条纹也在作上下移动。莫尔条纹移动的方向近似地与光栅移动的方向垂直。
　　莫尔条纹具有平均误差和放大使用，而且光栅栅线和莫尔条纹之间具有数量和方向上的对庆关系。利用光电传感器得到与明暗条纹相对应的周期性电压信号，再经放大、变换整形即可得到计数脉冲。由于脉冲数是表示指示光栅所移动的条纹数，所以，只要知道光栅栅距即可得出光栅所多动的实际距离。
　　决定光栅位置测量精度高低的主要因素是每毫米内光栅的条纹数，条纹数越多，则精度越高。本测量系统光栅为100线/mm，如光栅移动了Xmm，即，光栅移动了100X条刻线，则莫尔条纹也移动了100X条条纹，将莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，即可知道送线实际长度。
　　例，某种电感展开的实际长度为30mm，送线机构送线过程中，必须移过3000个栅距，即莫尔条纹应移过3000个间隔，这样，送线的长度可控制到0.01mm的精度。
　　4光栅测量系统
　　本光栅测量系统的结构是：光栅传感器为两个光敏三极管，其输出是与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的电信号，再经差动放大、整型、细分、方向辩别等电路，最终送到可逆计数器进行计数。如图3所示。
　　该系统对送线机构位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的，并以单片为核心构成信号处理与闭环控制。该系统具有自动辨别光栅移动方向，实现自动定位控制，过限报警及数码显示等功能。5送线机构位移的辩向与细分
　　5.1辩向
　　如果将莫尔条纹宽度用w表示的话，则在位置处分别安装二个光栅管Ta,Tb，随着莫尔条纹的上下移动，在光敏三极管中感应出和光线亮度相应的电流，其波形呈睚弦波状。光线暗时，电流小，光线亮时电流大。由于两个光敏管所处的位置关系，其电流在相位上相差90°。
利用光敏三极管就可以检测出指示光栅和标尺光栅的相对位置，也就是它们的移动位置。图4为两光敏三极管Ta,Tb所检测出来的电流及放大后电压波形。
　　图4中，Ia是光敏管Ta的检测电流，而VA则是由比较器入大之后所得到的对应开关电压。Ib是光敏管Tb的检测电流，VB则是放大所得的对应开关电压。当指示光栅向左称动、莫尔条纹向上移动量，则形成图4(a)中的电流电压波形。当指示光栅向右移动时，则形成了图4(b)中的电流电压波形。
　　图4(a)中的VA、VB波形说明，当指示光栅左移时，VAVB的电平逻辑为00→01→11→10→00。
　　图4(b)中的VA、VB波形说明，当指示光栅右移时，VAVB的电平逻辑变化为00→10→11→01→00。
　　显然，单片机根据电平逻辑的变化情况，可以判别出指示光栅移动的方向，即送线机构的位置方向，光栅左移为机构送线，光栅右移为机构复位。
　　5.2细分
　　细分技术可在不增加光栅刻线数（线数越多，制造难度越大，成本越昂贵）的情况下，提高光敏三极管的分辨能力。由上面的分析可知，两光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹移动一个宽度W，光敏三极管的输出变化一个电周期2π，若将该电信号直接计数的话，则光敏三极管的分辨率只有一个栅距的大小。为了能够分辨比一个栅距更小的位移量，采用了四倍频细分电路，该电路能在一个栅距内，等间隔地分出四个计数脉冲，即，使得计数脉冲的频率提高了四倍，现栅距为0.01mm，细分后光敏三极管能分辨0.0025mm的位移，即，送线机构的位移精度提高到了μ极。这对于送线长度控制来讲已经达到了很高的精高。
　　图5是本测量系统采用的四倍频细分电路及波形。上面已讲到利用二个光敏三极管Ta、Tb可以辩向、如进一步将二个光敏三极管输出信号整形反相，可得到四个相痊诊次为0°、90°、180°、270°的方波信号，它们分别经RC微分电路，可得到四个尖脉冲信号。当指示光栅正向移动时，四个微分信号分别和有关的方波高电平相遇，与辩向原理的过程相似，可以在IC1的输出端得到四个加法计数脉冲，IC2保持低电平。如图5所示。反之，当指示光栅反向移动时，可以在IC2的输出端得到四个减法计数脉冲。
　　6.结束语
　　利用光栅传感位移测量系统对送线机构位移量进行动态测量和控制，精度高，响应速度快，稳定性好，不接触、无磨损、抗干扰能力强，输出信号大，实现数字读数并通过单片机控制系统实施数字控制，对提高电感线圈的绕制质量和效率非常有用。
　　参考文献
　　[1]殷纯永.光电精密仪器设计.北京:机械工业出版社.1996