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0431-81702023
光學工程
光柵位移測量在電感生產中的應用

摘要:闡述了如何利用光柵精密測量的特性,實現電感生產過程中送線長度的測量與控制,采用了脈沖辯向及四倍頻電路以實現信號方向識別和提高測量精度。
  關鍵詞:光柵,精密測量,脈沖辯向,電感
  1 引言
  電感線圈的傳統生產方式,是由機器將漆包線繞制成線圈形狀后切斷,再通過人工對線圈的兩插腳去漆、搪錫。這樣的生產方式雖然對送線長度的精確度沒有過高的要求,但生產效率低,質量波動大,不適于大批量生產。為此,筆者對傳統的生產設備和制造工藝進行了改進:從線材的送進、去漆、繞制、切斷到搪錫全過程實現了機器自動生產。其中,對送線機構送線長度的控制采用了光柵傳感位移測量控制技術,設計制作了以單片機為核心的控制系統,使得送線和蔗的精確性和一致性達到了理想的效果,極大地提高了產品質量和生產效率。
  2 檢測控制的對象
  改進后的線圈繞制工藝流程為:由送線機構送來的漆包線經刮刀去除漆層,再由卷繞芯棒繞制成線圈狀后切斷,然后,經排列裝置將其排列整齊搪錫。其流程如圖1所示。
  由于采用了一邊去漆一邊繞制的方法,因而,對送線長度的精確性要求很高。送線機構每次送過的線長必須等于線圈展開長度,否則,就不能保證切刀的切斷位置正好為去漆段長度的中心位置,如圖2所示。在正常送線狀態下,卷繞完成后切刀在去漆段中心位置將成品與線材切斷分離。如果送線多送或少送的話,則造成切斷位置不在去漆段中心處,使得線圈兩插腳去漆處長短不一而產生次品或廢品。
  假如每次送線有0.5mm誤差的話,送線10次誤差就達0.5mm,而機器繞制圈的速度一般為每分鐘20個~30個,則一分鐘送線長度的誤差可達1mm~1.5mm,送線誤差的積累會造成大量廢品。因此,為了精確地控制送線機構的位移量(進線位移、復位位移),保證產品的質量,在送線機構上配置了光柵位移測量裝置,以提高送線機構的位移精度并對其位移量進行控制。
  3 光柵測量原理
  送線機構上配置的測量光柵由標尺光柵和指示光柵組成。用厚度為0.06mm的不銹鋼片作為光柵材料,通過特殊的工藝在不銹鋼片表面均勻地刻上100對/mm透光鏤空和不透光條紋。
  把指示光柵安裝在送線機構上,而標尺光柵固定于機架上,而標尺光柵固定于機架上,并使二者之間保持0.03mm~0.06mm的間隙以避免摩擦,且在安裝時使二者的光柵紋線之間形成一個小夾角,當光線透過光柵時,指示光柵紋時,指示光柵上就會產生若干條粗的明暗條紋,這就是莫爾條紋。當指示光柵相對于標尺光柵作左右移動時,莫爾條紋也在作上下移動。莫爾條紋移動的方向近似地與光柵移動的方向垂直。
  莫爾條紋具有平均誤差和放大使用,而且光柵柵線和莫爾條紋之間具有數量和方向上的對慶關系。利用光電傳感器得到與明暗條紋相對應的周期性電壓信號,再經放大、變換整形即可得到計數脈沖。由于脈沖數是表示指示光柵所移動的條紋數,所以,只要知道光柵柵距即可得出光柵所多動的實際距離。
  決定光柵位置測量精度高低的主要因素是每毫米內光柵的條紋數,條紋數越多,則精度越高。本測量系統光柵為100線/mm,如光柵移動了Xmm,即,光柵移動了100X條刻線,則莫爾條紋也移動了100X條條紋,將莫爾條紋產生的電脈沖信號計數,即可知道送線實際長度。
  例,某種電感展開的實際長度為30mm,送線機構送線過程中,必須移過3000個柵距,即莫爾條紋應移過3000個間隔,這樣,送線的長度可控制到0.01mm的精度。
  4 光柵測量系統
  本光柵測量系統的結構是:光柵傳感器為兩個光敏三極管,其輸出是與光柵莫爾條紋對應的、相位不同的近正弦波狀的電信號,再經差動放大、整型、細分、方向辯別等電路,最終送到可逆計數器進行計數。如圖3所示。
  該系統對送線機構位移的檢測是通過光柵移動產生的莫爾條紋與光電檢測電路配合完成的,并以單片為核心構成信號處理與閉環控制。該系統具有自動辨別光柵移動方向,實現自動定位控制,過限報警及數碼顯示等功能。

 5 送線機構位移的辯向與細分
  5.1 辯向
  如果將莫爾條紋寬度用w表示的話,則在位置處分別安裝二個光柵管Ta,Tb,隨著莫爾條紋的上下移動,在光敏三極管中感應出和光線亮度相應的電流,其波形呈睚弦波狀。光線暗時,電流小,光線亮時電流大。由于兩個光敏管所處的位置關系,其電流在相位上相差90°。
利用光敏三極管就可以檢測出指示光柵和標尺光柵的相對位置,也就是它們的移動位置。圖4為兩光敏三極管Ta,Tb所檢測出來的電流及放大后電壓波形。
  圖4中,Ia是光敏管Ta的檢測電流,而VA則是由比較器入大之后所得到的對應開關電壓。Ib是光敏管Tb的檢測電流,VB則是放大所得的對應開關電壓。當指示光柵向左稱動、莫爾條紋向上移動量,則形成圖4(a)中的電流電壓波形。當指示光柵向右移動時,則形成了圖4(b)中的電流電壓波形。
  圖4(a)中的VA、VB波形說明,當指示光柵左移時,VAVB的電平邏輯為00→01→11→10→00。
  圖4(b)中的VA、VB波形說明,當指示光柵右移時,VAVB的電平邏輯變化為00→10→11→01→00。
  顯然,單片機根據電平邏輯的變化情況,可以判別出指示光柵移動的方向,即送線機構的位置方向,光柵左移為機構送線,光柵右移為機構復位。
  5.2 細分
  細分技術可在不增加光柵刻線數(線數越多,制造難度越大,成本越昂貴)的情況下,提高光敏三極管的分辨能力。由上面的分析可知,兩光柵相對移動一個柵距,莫爾條紋移動一個寬度W,光敏三極管的輸出變化一個電周期2π,若將該電信號直接計數的話,則光敏三極管的分辨率只有一個柵距的大小。為了能夠分辨比一個柵距更小的位移量,采用了四倍頻細分電路,該電路能在一個柵距內,等間隔地分出四個計數脈沖,即,使得計數脈沖的頻率提高了四倍,現柵距為0.01mm,細分后光敏三極管能分辨0.0025mm的位移,即,送線機構的位移精度提高到了μ極。這對于送線長度控制來講已經達到了很高的精高。
  圖5是本測量系統采用的四倍頻細分電路及波形。上面已講到利用二個光敏三極管Ta、Tb可以辯向、如進一步將二個光敏三極管輸出信號整形反相,可得到四個相痊診次為0°、90°、180°、270°的方波信號,它們分別經RC微分電路,可得到四個尖脈沖信號。當指示光柵正向移動時,四個微分信號分別和有關的方波高電平相遇,與辯向原理的過程相似,可以在IC1的輸出端得到四個加法計數脈沖,IC2保持低電平。如圖5所示。反之,當指示光柵反向移動時,可以在IC2的輸出端得到四個減法計數脈沖。
  6.結束語
  利用光柵傳感位移測量系統對送線機構位移量進行動態測量和控制,精度高,響應速度快,穩定性好,不接觸、無磨損、抗干擾能力強,輸出信號大,實現數字讀數并通過單片機控制系統實施數字控制,對提高電感線圈的繞制質量和效率非常有用。

 


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