海德漢HEIDENHAIN車間計量長度計

   生產(chǎn)環(huán)境對車間計量的工件位置測量系統(tǒng)有特殊要求。感應(yīng)式測量系統(tǒng)原理有其固有弱點，例如溫度敏感或非線性特性。德國Traunreut的海德漢公司新開發(fā)的長度計在保持增量式光學(xué)測量的優(yōu)點外，還增加了提供式位置值能力。它優(yōu)于原有位置測量系統(tǒng)，是車間長度測量的新選擇。

   產(chǎn)品以及其部件對品質(zhì)、精度和功能的要求對其生產(chǎn)有巨大影響。為滿足這些要求，同時也需確保生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，人們在生產(chǎn)過程監(jiān)測方面投入了大量人力物力，希望精確測量公差和偏離其名義值的偏差并進(jìn)行相應(yīng)修正。

   大批量自動化生產(chǎn)中，用統(tǒng)計方法以及盡可能用機(jī)器和過程能力指標(biāo)進(jìn)行*。如果這不可行或由于特定條件限制使這些方法不經(jīng)濟(jì)，就只能通過“檢測”保證品質(zhì)。無論那種情況，都意味著需要大量時間，時間開銷與檢測精度、零件裝卸和檢測點數(shù)量有關(guān)，因為測量過程必須謹(jǐn)慎地與生產(chǎn)線進(jìn)行整合，以確保相互影響和相關(guān)性小。機(jī)械生產(chǎn)中，這些任務(wù)通常由不同形式的位移傳感器執(zhí)行。有很多形式，例如：簡單情況是用電容性或電感性接近傳感器檢測零件組裝中或組裝后是否存在。如果要求更高，需要檢測、測量和測試設(shè)備能復(fù)測工件尺寸、形狀和位置公差，精度需達(dá)到數(shù)微米。這需要環(huán)境條件穩(wěn)定或確定和對測量設(shè)備有特殊要求。

生產(chǎn)型直線測量
位移傳感器的龐大市場中，數(shù)毫米行程的感應(yīng)式傳感器有數(shù)百萬臺裝機(jī)量。一半是接近傳感器。另一半是比例傳感器，用于將測量值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出信號。這其中的幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備都用全橋或半橋線性差動變壓器（LVDT）。這種測量設(shè)備的電子電路全部在后續(xù)電子設(shè)備中，用于大幅減小測量設(shè)備尺寸。還有價格低和型號多樣化的優(yōu)點。但是，這種感應(yīng)式測量基本原理決定了其固有弱點。測桿線圈系統(tǒng)只在軟鐵心中點的很小范圍內(nèi)為線性，因此可用的測量行程（與機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)）只有數(shù)毫米。由于這個原因，LVDT通常只用于測量公差，這在其線性行程范圍內(nèi)。名義尺寸由測針的固定位置確定，因此限制了測量設(shè)備靈活性和如果需要測量不同尺寸還需要進(jìn)行裝卸和調(diào)整。LVDT測量原理的另一個明顯弱點是車間環(huán)境通常不理想，可是它對溫度敏感。即使不大的溫度波動也將導(dǎo)致測量值明顯偏移，因此需要重新校準(zhǔn)。盡管有這些局限，但由于用戶熟悉它，LVDT的優(yōu)點足以使它在市場中占有一席之地。

   自動化系統(tǒng)數(shù)微米精度范圍的測量中，除了接觸式直線光柵尺外，還有多種非接觸測量應(yīng)用。通常是基于光閘（透射光或反射光）的光學(xué)設(shè)備。也有部分設(shè)備用空氣的動態(tài)壓力測量被測物體間距離。也有用集成在生產(chǎn)線中的視頻系統(tǒng)。

   增量式光學(xué)長度計越來越多地用于取代LVDT。增量式光學(xué)長度計結(jié)構(gòu)堅固，抗污染能力強(qiáng)，能適應(yīng)實驗室到生產(chǎn)過程的高標(biāo)準(zhǔn)測量任務(wù)要求。相比其它測量原理，基于玻璃基體的測量基準(zhǔn)有多個突出優(yōu)點：
• 測量精度高和全行程線性好（可達(dá)100 mm）
• 溫度穩(wěn)定性好和溫度特性確定
• 高分辨率的重復(fù)精度高
• 單信號周期內(nèi)誤差小（=小行程誤差）
德國Traunreut的海德漢公司的Specto系列光學(xué)長度計已有多年應(yīng)用歷史。

提供測量值

式光柵尺的特點是位置與位置信息間關(guān)系確定。即使運(yùn)動速度很高，也能始終提供可靠測量值。因此，截止頻率和電氣系統(tǒng)的zui高速度限制這些指標(biāo)都不重要。

   測量設(shè)備工作前必須先建立原點，就是說基于外部坐標(biāo)系確定被測位置的測量值。通常用實物標(biāo)準(zhǔn)（在確定的位置處）確定這個原點：長度計接觸被測物體表面，然后接觸已知實物標(biāo)準(zhǔn)的表面。如果測量設(shè)備開機(jī)后不能確定自己位置，就需要這樣確定原點，類似于增量式光柵尺沒有回零時情況。如果是式光柵尺，開機(jī)后測量設(shè)備能立即確定位置。單這一項優(yōu)點就能大大方便檢測設(shè)備的裝卸和調(diào)試。

   Acanto長度計不僅有增量式光學(xué)測量設(shè)備的優(yōu)點，還能提供測量值（圖1）。這樣的設(shè)備提供了立即得到位置的測量手段。如果再考慮環(huán)境條件因素，檢測期間甚至都可能不需要重新校準(zhǔn)。

結(jié)構(gòu)緊湊

   Acanto長度計為接觸式測量，防護(hù)等級為IP65。測量長度有兩種，12毫米和30毫米（圖2）。可用于大量應(yīng)用。為了簡化安裝和操作，有軸向和徑向版，用插頭連接電纜。測桿用壓縮空氣驅(qū)動，也有用彈簧驅(qū)動。測桿的陶瓷復(fù)合材料滑動導(dǎo)軌摩擦小，磨損小和使用壽命長（超過≥ 500萬個往返行程）。長度計用裝夾桿固定（8 mm直徑）。位置用23 nm分辨率的玻璃光柵尺刻線確定。系統(tǒng)誤差，也就是測量行程全長的線性誤差為±2 µm。小行程誤差（細(xì)分誤差）為0.7 µm。這對只有幾微米行程的重復(fù)測量很重要。溫度漂移的典型值為1 µm/K。

   位置值通過EnDat 2.2串口傳送。EnDat主單元負(fù)責(zé)EnDat光柵尺的通信。可以只傳送位置值，也可以為上一級應(yīng)用提供附加信息。EnDat主單元用微控制器（µC）或FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）或ASI進(jìn)行集成。如果選擇集成在FPGA或ASIC中，將能用純串行進(jìn)行高頻傳輸。德國Jena的MAZeT已開始提供多個版本。EnDat接口除提供位置信息外，還提供光柵尺診斷功能。通過有效值提供當(dāng)前生成的測量值質(zhì)量信息。保存在設(shè)備存儲器中的數(shù)據(jù)可以讀取，也支持警告和報警功能。因此可以方便地監(jiān)測長度計工作情況，顯著增加檢測系統(tǒng)可靠性，特別是多軸應(yīng)用時。

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