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常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院（江蘇常州 213015）
摘 要：闡述了如何利用光柵精密測量的特性，實(shí)現(xiàn)電感生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)信號方向識別和提高測量精度。
關(guān)鍵詞：光柵，精密測量，脈沖辯向，電感
1 引言
電感線圈的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，是由機(jī)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(chǎn)方式雖然對送線長度的精確度沒有過高的要求，但生產(chǎn)效率低，質(zhì)量波動大，不適于大批量生產(chǎn)。為此，筆者對傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)：從線材的送進(jìn)、去漆、繞制、切斷到搪錫全過程實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自動生產(chǎn)。其中，對送線機(jī)構(gòu)送線長度的控制采用了光柵傳感位移測量控制技術(shù)，設(shè)計制作了以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，使得送線和蔗的精確性和一致性達(dá)到了理想的效果，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
2 檢測控制的對象
改進(jìn)后的線圈繞制工藝流程為：由送線機(jī)構(gòu)送來的漆包線經(jīng)刮刀去除漆層，再由卷繞芯棒繞制成線圈狀后切斷，然后，經(jīng)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(jī)構(gòu)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(tài)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(chǎn)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(dá)0.5mm，而機(jī)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(dá)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(jī)構(gòu)的位移量（進(jìn)線位移、復(fù)位位移），保證產(chǎn)品的質(zhì)量，在送線機(jī)構(gòu)上配置了光柵位移測量裝置，以提高送線機(jī)構(gòu)的位移精度并對其位移量進(jìn)行控制。
3 光柵測量原理
送線機(jī)構(gòu)上配置的測量光柵由標(biāo)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(jī)構(gòu)上，而標(biāo)尺光柵固定于機(jī)架上，而標(biāo)尺光柵固定于機(jī)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(dāng)光線透過光柵時，指示光柵紋時，指示光柵上就會產(chǎn)生若干條粗的明暗條紋，這就是莫爾條紋。當(dāng)指示光柵相對于標(biāo)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(shù)量和方向上的對慶關(guān)系。利用光電傳感器得到與明暗條紋相對應(yīng)的周期性電壓信號，再經(jīng)放大、變換整形即可得到計數(shù)脈沖。由于脈沖數(shù)是表示指示光柵所移動的條紋數(shù)，所以，只要知道光柵柵距即可得出光柵所多動的實(shí)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(nèi)光柵的條紋數(shù)，條紋數(shù)越多，則精度越高。本測量系統(tǒng)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(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，即可知道送線實(shí)際長度。
例，某種電感展開的實(shí)際長度為30mm，送線機(jī)構(gòu)送線過程中，必須移過3000個柵距，即莫爾條紋應(yīng)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(tǒng)
本光柵測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yīng)的、相位不同的近正弦波狀的電信號，再經(jīng)差動放大、整型、細(xì)分、方向辯別等電路，最終送到可逆計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。如圖3所示。
該系統(tǒng)對送線機(jī)構(gòu)位移的檢測是通過光柵移動產(chǎn)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(gòu)成信號處理與閉環(huán)控制。該系統(tǒng)具有自動辨別光柵移動方向，實(shí)現(xiàn)自動定位控制，過限報警及數(shù)碼顯示等功能。
5 送線機(jī)構(gòu)位移的辯向與細(xì)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(yīng)出和光線亮度相應(yīng)的電流，其波形呈睚弦波狀。光線暗時，電流小，光線亮?xí)r電流大。由于兩個光敏管所處的位置關(guān)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(biāo)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(yīng)開關(guān)電壓。Ib是光敏管Tb的檢測電流，VB則是放大所得的對應(yīng)開關(guān)電壓。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jī)根據(jù)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(jī)構(gòu)的位置方向，光柵左移為機(jī)構(gòu)送線，光柵右移為機(jī)構(gòu)復(fù)位。
5.2 細(xì)分
細(xì)分技術(shù)可在不增加光柵刻線數(shù)（線數(shù)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(shù)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(xì)分電路，該電路能在一個柵距內(nèi)，等間隔地分出四個計數(shù)脈沖，即，使得計數(shù)脈沖的頻率提高了四倍，現(xiàn)柵距為0.01mm，細(xì)分后光敏三極管能分辨0.0025mm的位移，即，送線機(jī)構(gòu)的位移精度提高到了μ極。這對于送線長度控制來講已經(jīng)達(dá)到了很高的精高。
圖5是本測量系統(tǒng)采用的四倍頻細(xì)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(jìn)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(jīng)RC微分電路，可得到四個尖脈沖信號。當(dāng)指示光柵正向移動時，四個微分信號分別和有關(guān)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(shù)脈沖，IC2保持低電平。如圖5所示。反之，當(dāng)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(shù)脈沖。
6 結(jié)束語
利用光柵傳感位移測量系統(tǒng)對送線機(jī)構(gòu)位移量進(jìn)行動態(tài)測量和控制，精度高，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，不接觸、無磨損、抗干擾能力強(qiáng)，輸出信號大，實(shí)現(xiàn)數(shù)字讀數(shù)并通過單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字控制，對提高電感線圈的繞制質(zhì)量和效率非常有用。
參考文獻(xiàn)
[1] 殷純永.光電精密儀器設(shè)計.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1996
摘自《電子工程師》
