新型平尺直線度自動測量的方法

嚴雅君 陳 剛 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院

新型平尺直線度自動測量的方法

嚴雅君 陳 剛 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院

比較橋板法測量平尺直線度誤差的方法和一種新型的自動測量方法，指出了橋板法測量的缺點，分析了自動測量的檢測準確度高和實時采集數(shù)據(jù)計算的優(yōu)勢，并通過實例來比較兩種測量方法的準確度，為平尺直線度誤差測量提供了一種創(chuàng)新思路。

平尺；測量；橋板；直線度誤差

0 引言

平尺是工作面為平面、用于測量工件表面直線度和平面度的量具。平尺準確度等級分為00級、0級、1級和2級。平尺一般由優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造，也有選用花崗石或軸承鋼制造。平尺作為確定直線基準的計量器具，其測量面的直線度誤差是衡量平尺準確度的主要指標。平尺的直線度誤差測量結(jié)果不僅關系到其自身的準確度等級，更會對被測工件的測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生重大影響，因此如何確保平尺的直線度誤差測量結(jié)果準確可靠成為一個重要的課題。

1 橋板法測量平尺直線度

根據(jù)JJF 1097-2003《平尺校準規(guī)范》的技術要求，對平尺直線度的測量采用橋板測量法，該方法測量橋板兩個支撐點的相對傾斜角度，然后用各支撐點的測量數(shù)據(jù)進行評價得到其直線度。

測量方法是將被測平尺（橋型平尺除外）用等高塊支承在距平尺兩端2/9L（L為平尺長度）處，根據(jù)平尺長度選擇適當橋板，一般不少于8～10個測量位置，跨距50 ～ 500 mm。把電子水平儀固定在橋板上，將橋板按照設定的跨距前后相接從平尺工作面的一端移動至另一端，每移動一個跨距就從電子水平儀上讀取儀器數(shù)據(jù)。然后按照直線度評定方法進行數(shù)據(jù)處理得到平尺直線度測量結(jié)果，測量過程如圖1所示。

橋板法測量由于橋板跨距可調(diào)，不受被測平板尺寸限制，因此在實際測量中應用較廣。但是該測量方法也存在兩個缺點。

圖1 平尺直線度橋板法測量過程

（1）橋板移動方式為手工移動，無法真正沿直線移動及實現(xiàn)兩次橋板位置的首尾相接，存在較大的測量誤差。

（2）測量過程耗時較長，且無法實時計算測量結(jié)果，滯后時間長。

采取一種平尺工作面直線度自動測量的方法，就能得到更加準確的測量結(jié)果，確保平尺直線度測量數(shù)據(jù)的準確性，減小量值傳遞過程中產(chǎn)生的測量誤差。特別是可對各種超長機床導軌及其他非標設備進行直線度測量，解決平尺及大尺寸機床導軌的直線度測量技術能力。

2 平尺直線度自動測量方法

采用自動測量裝置對平尺工作面直線度進行測量，能改變傳統(tǒng)的直線度手工測量的既定思路，消除測量過程中引入的定位誤差，對各個測量位置實現(xiàn)準確定位及自動控制。

該方法采用光電自準直儀測量法取代電子水平儀進行測量。測量時自準直儀安裝于三腳架上，三腳架固定支撐在地面，調(diào)整光電自準直儀的光束方向與平尺測量面平行，由于一般工廠車間通常具備地面防震結(jié)構，不會因震動對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。用自動輕質(zhì)小車取代橋板，小車底部用兩個相同尺寸圓柱棒與平尺測量面相接觸，保持小車與平尺測量面之間平移接觸，兩圓柱棒保持平行，兩者間距離即為跨距。小車外側(cè)有四個驅(qū)動輪與平尺側(cè)向非工作面接觸，安裝步進電機驅(qū)動小車移動，驅(qū)動輪速度設計為50 mm/s，保持小車與平尺工作面的緊密接觸及小車沿平尺移動的平穩(wěn)性（如圖2所示）。根據(jù)平尺工作面尺寸制作固定跨距為80 mm、100 mm、300 mm等多種規(guī)格的小車，在小車上安裝無線發(fā)射模塊、驅(qū)動電機和電路等，確保小車無線運行。

圖2 小車與平尺接觸方式

測量時，首先根據(jù)平尺尺寸選擇合適的跨距小車，并在小車上固定反射鏡；其次在計算軟件中輸入平尺參數(shù)，小車接收到計算機發(fā)出的測量指令后，按跨距尺寸平移；然后小車自動運行和定位，自準直儀發(fā)出的光束射向反射鏡并返回鏡頭，在每個測量點小車自動停下，數(shù)據(jù)傳輸采用無線模塊進行實時顯示和采集，從而實現(xiàn)整個測量過程；最后將數(shù)據(jù)導入直線度測量軟件進行評定，獲得直線度誤差結(jié)果后按校準規(guī)范中的準確度要求對平尺定級。整個測量過程不需進行任何人工操作，如圖3所示。

圖3 平尺直線度自動測量系統(tǒng)

此法需用光電自準直儀，光電自準直儀代替電子水平儀測量直線度。光電自準直儀是依據(jù)光學自準直成像原理，通過LED發(fā)光元件和線陣CCD成像技術設計而成，由內(nèi)置的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對CCD信號進行實時采集處理，完成兩個維度的角度測量。通過光學成像系統(tǒng)測量被測平面角度的變化，由光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)敏感光學信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號供后續(xù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行分析與評估。

光電自準直儀如圖4所示，其測量直線度（傾斜角度）的基本原理如圖5所示。光電自準直儀的測量范圍約3 ～ 30 m，可以實現(xiàn)傾斜角度的準確測量，測量準確度可達±0.5″。

圖4 光電自準直儀

圖5 光電自準直儀測量原理

3 平尺直線度誤差判定

用橋板法測量平尺直線度誤差時，對直線度誤差的評價方法主要有最小區(qū)域法、最小二乘法、兩端點連線法。實際應用中，兩端點連線法雖然計算簡單但準確度較低，使用價值不大。最小二乘法的評定方法如果由人工計算較為復雜，數(shù)據(jù)處理較繁瑣，不便于生產(chǎn)。最小區(qū)域法準確度最高，誤差值最小且具有唯一性。因此通常情況下，采用最小區(qū)域法來計算直線度。

最小區(qū)域法是按最小包容區(qū)域的寬度評定直線度誤差值，其判別的方法是：當兩條平行直線包容誤差曲線，若誤差曲線上的高低點與上下包容線成相間的三點接觸時，滿足“低-高-低”或是“高-低-高”的相間準則（如圖6所示），則此包容線構成的包容區(qū)域為最小區(qū)域。

圖6 包容區(qū)域

現(xiàn)以測量1 000 mm的鑄鐵平尺為例，分別通過橋板法和自動測量方法來校準平尺直線度。

3.1 橋板法測量直線度誤差計算

使用JJF 1097-2003推薦的橋板法來測量平尺直線度。用分辨力為0.01 mm/m的電子水平儀校準，橋板跨距L=100 mm，電子水平儀在平尺工作面各點讀數(shù)見表1。

表1 橋板法測量平尺直線度讀數(shù)

用最小區(qū)域法計算平尺直線度誤差，可以通過作圖和計算公式來實現(xiàn)。圖6中，x軸表示測量序號，y軸表示各測量位置相對起始點的讀數(shù)累積值，將讀數(shù)累積值在圖中標出，連成一根誤差曲線，依相間準則用兩根平行直線包容誤差曲線，形成圖7中“低-高-低”的三點接觸，構成最小包容區(qū)域。

圖7中最高點和最低點已經(jīng)明確，那么運用計算公式可以直接計算出符合最小區(qū)域法的直線度誤差值。

圖7 作圖判斷最小包容區(qū)域

設a、b、c分別為測量序號；而ya、yb、yc則分別為序號a、b、c的讀數(shù)相對于測量基準的坐標值，且a、c為高（低）點，b為低（高）點，符合最小區(qū)域的直線度誤差值f（單位：字）的計算公式為

依此計算，f= 11.5字。

當用電子水平儀測量平尺直線度時，平尺工作面直線度誤差F（單位：μm）計算公式：

式中：C— 電子水平儀分辨力，mm/m；

L— 橋板跨距，mm；

f— 符合最小條件的平尺直線度，字

本例的平尺工作面直線度為

F=CLf= 0.01×100×11.5 = 11.5（μm）

從最小區(qū)域法作圖計算平尺直線度誤差的過程可見，需要花費較多的人工計算，且最小區(qū)域的判定較復雜，在實際生產(chǎn)、測量過程中還不是最方便。

3.2 自動法測量直線度誤差計算

光電自準直儀所帶的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，可以根據(jù)采集到的測量數(shù)據(jù)計算直線度，得出準確的直線度誤差。過程由軟件計算，提高了數(shù)據(jù)處理速度，實現(xiàn)了測量準確度更高的要求。具有數(shù)據(jù)實時采集、系統(tǒng)精確計算、結(jié)果可靠等優(yōu)點，為生產(chǎn)者和檢驗者提供了便捷的方法。

測量上述的1 000 mm鑄鐵平尺，自動測量系統(tǒng)自動采集10個測量點的數(shù)據(jù)，計算出平尺直線度誤差為10.6 μm?？梢姕y量準確度比最小區(qū)域法作圖計算得出的誤差值小。根據(jù)JJF 1097-2003判斷，定為1級。

4 結(jié)語

平尺作為直線度測量基準，對機械制造行業(yè)具有廣泛的應用價值，因此必須確保其自身直線度測量結(jié)果的準確度。本文闡述的方法嚴格遵循了校準規(guī)范中的測量原理，并從根本上解決了平尺直線度測量過程中因手動測量引入的誤差，利用自動測量的準確度高和數(shù)據(jù)實時采集的優(yōu)勢，大大提高了檢測準確度和工作效率。此外還能推廣應用到大尺寸平板平面度測量和角尺測量，具有較高的實用性和創(chuàng)新性，以及廣泛的市場前景及可預見的經(jīng)濟效益。

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Method of automatic measurement for straightness error of the edges

Yan Yajun，Chen Gang
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research）

Two methods of measuring the straight edges are compared. The disadvantage of the bridge frame method is indicated. Through example calculation to comparing two methods of measuring precision, detection precision and data-acquiring by computer are analyzed as the advantages of the new measuring method.

straight edges; measure; bridge frame; straightness error