大型平直類量具在線自動化檢定裝置*

陳 浩　馬浩慧　謝 燮/ .上海市計量測試技術研究院；.上海大學機電工程與自動化學院

大型平直類量具在線自動化檢定裝置*

陳 浩1馬浩慧1謝 燮2/ 1.上海市計量測試技術研究院；2.上海大學機電工程與自動化學院

介紹了一種以光電自準直儀和自行設計的機械驅動小車及數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)組成的大型平直類量具在線自動化檢定裝置。這套裝置可以實現(xiàn)該類平面度測量數(shù)據(jù)采集過程自動化。通過實驗比對驗證了該裝置的可靠性，并且評定了測量結果的不確定度。該檢定裝置完全滿足最新的《平板》檢定規(guī)程對計量標準器具的要求。

平板；在線；自動化檢定

0　引言

大型平直類量具是一種具有精確平面的尺形量規(guī)，一般用于以著色法、指示表法檢驗平板、長導軌等的平面度，也常用光隙法檢驗工件棱邊的直線度。對于大型平直類量具的檢定，從理論上說只要肯花時間和精力，用電子水平儀和橋板人工一段段檢測也是能夠完成的，但是極低的工作效率是其最大的缺點，很有可能在一整天檢測之后發(fā)現(xiàn)最終的測量結果可靠程度不高。本項目就是要解決此類大型量具的平面度檢測難題。采用新型光電自準直儀，利用光學自準原理將角度測量轉換為線性測量，并且用光電瞄準對線替代了人工瞄準線，消除了人工誤差，實現(xiàn)全程數(shù)據(jù)自動化采集。

1　目的

本項目主要針對大型平直類量具的平面度檢測，最終要研制一個典型的機電一體化設備，并建立可擴展的完備測量系統(tǒng)平臺。該檢定裝置的功能包括：（1）完成自動采集設備運動控制和無線收發(fā)功能；（2）實現(xiàn)精確的位置判斷和不同跨距的大小調節(jié)功能；（3）可實現(xiàn)測量過程中數(shù)據(jù)自動保存的功能。

2　結構設計

根據(jù)平板測量環(huán)境和測量方法，大型平直類量具在線自動化檢定裝置主要由驅動部分和采集部分組成。驅動部分分為驅動裝置和定向裝置。驅動裝置主要靠步進電機對機械小車進行控制，采用兩個并聯(lián)的步進電機，放在采集儀的同一側，在外殼上裝有軸承，電機通過與軸承連接穿出殼體，與驅動輪連接；定向裝置主要采用導軌形式。為了方便使用，本設計中主要使用同步帶搭配同步輪完成。采集部分分為調節(jié)裝置和測量裝置。調節(jié)裝置主要通過鋁合金材質的長導軌實現(xiàn)，通過對不同長度的長導軌進行更換，和長導軌上不同固定位置的更換實現(xiàn)跨距的變動；測量裝置主要使用測量軸。測量軸安裝在采集部分的底面，使其與平板被測面貼合。由于整個平直類量具檢定裝置自重較大，不需要配重即可以滿足測量軸與被測面牢固貼合的問題。連接部分主要是采用兩個萬向連接塊，分別與測量部分和驅動部分X軸兩側連接，并限制連接塊只有上下一個自由度，因此保證自動采集儀在運動采集過程中，后側采集部分不會由于驅動部分的上下偏移而脫離被測面。

平板表面檢測屬于大平面檢測。測量過程中，大型平直類量具在線自動化檢定裝置的機械小車（即驅動部分）不一定會沿著初始行駛軌跡行駛下去。由于機械小車的四個輪子是獨立的，可調性小或根本不可調，在小車行走的過程中導致四個輪子左右高低不平，因此四只輪子的接地點不在一個水平面上。而步進電機馬力的增加不像真正的汽車一樣逐檔升降來達到緩起緩落，而是開始后便增加驅動力，這使其在行駛過程中實際上只有兩個對角的輪子有摩擦力，會產生輕微打滑，車身自然向慣性的方向滑動。所以本項目在設計過程中，必須要對車的行走路線進行宏觀調控，不需要達到非常精確，但是要在大致位置上保持直線行走，為此設計了以下方案：采用同步輪和同步帶搭配實現(xiàn)方向調控作用。驅動輪和輔助輪均使用同步輪，然后將同步帶固定在平板上。測量過程中，同步輪沿著同步帶行進，采集部分沒有輪子搭鉤在同步帶上，直接與平板接觸采集。這種方法應用簡便，并且不會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而采集部分的測量軸也可以直接與平板接觸。圖1為所選兩種同步輪的結構圖。

圖1　同步輪尺寸圖

由于被測平板的大小不確定，因此在測量過程中需要對該裝置采集部分的跨距進行更改，這就要求采集部分可以伸縮以滿足不同大小平板的測量需求。該檢定裝置的采集部分由兩塊長鋁合金型材通過長導軌和鋁合金中的插槽連接實現(xiàn)。鋁合金型材下部裝有兩根測量軸，長導軌上均布螺紋孔，通過螺紋連接調整兩塊鋁型材的間距，從而實現(xiàn)跨距的改變。為使測量軸保持緊密貼合測量面的要求，在長導軌打孔后，對其進行了退火處理，使其降低硬度，消除殘余應力，以穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向。

大型平直類量具在線自動化檢定裝置整體分成兩部分，這樣的設計避免了驅動輪與輔助輪的四只角不平導致的測量軸被翹起，無法貼合被測量面。但是兩個部分之間也需要進行連接，并且采集部分連接在驅動部分的時候，要限制采集部分左右方向的自由度，防止其在測量過程中左右擺動。如圖2所示，采用了左右兩側兩個連接條與采集部分中心連接。通過固定，避免其在運動過程中因左右擺動對測量結果造成影響。同時，保證了連接條可以上下運動。

圖2　連接條示意圖

3　控制系統(tǒng)的設計

本文的無線收發(fā)模塊主要應用了由Silicon Labs公司生產的Si4432 芯片［1，2］。這款芯片集成度很高，在使用過程中能耗低，并且具有多頻段。Si4432主要包括一個30 MHz的晶振、電容和電感，具有性價比高的特性。Si4432最小濾波帶可達8 Hz，體積小，抗干擾能力強，頻道的選擇范圍很廣。在大型量具檢測過程中，無線收發(fā)模塊必須具有較長的收發(fā)距離。本芯片最大收發(fā)距離可達到10 m以上，符合要求。

上述選用的無線收發(fā)模塊輸出為RS-232電平。RS-232的邏輯狀態(tài)是依靠正、負電壓來呈現(xiàn)的，而單片機高、低電平的主要邏輯狀態(tài)表示方式是TTL電平［3］。RS-232的邏輯0電平規(guī)定為+3 ～ +15 V之間，邏輯1電平為-3 ～ -15 V之間，而單片機只能識別TTL電平。由于單片機的TTL邏輯電平和計算機的RS-232不同，所以電平轉換可以保證RXD和TXD交叉連接正常運轉。因為需要與計算機COM接口相連，需要在TTL和RS-232的電路間變換電平的邏輯關系，將表示為1的TTL高電平轉換成RS-232的負電壓信號，將表示為0的低電平轉換成RS-232的正電壓信號。

本項目中的串口轉換模塊主要應用了PL2303，它是RS232 電平的雙工異步串行裝置。PL2303包含了一個USB控制器、一個USB 收發(fā)器以及振蕩器和有全部調制解調器的UART。為了實現(xiàn)USB到RS232的轉換，使用時僅需要外界電容即可。PL2303是一種USB/RS232 雙向轉換器［4］，主機通過USB接受數(shù)據(jù)后將它轉成RS232格式并發(fā)射，RS232連接裝置接受到數(shù)據(jù)并將它轉換為USB數(shù)據(jù)后發(fā)送給主機。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，可以即插即用，使整個過程自動完成，而且能耗低、方便簡潔、便于使用。

經(jīng)過分析，使用USB1.1協(xié)議即可滿足通信數(shù)據(jù)量的要求，因此利用串口URAT轉USB，比如PL2303，就可以實現(xiàn)本設計中需要的串口通信，這樣可以統(tǒng)一對串口RS232進行操作。而上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也是對串口操作，使整個USB通信接口變得可靠而簡易。

4　實驗結果及不確定度評定

用本文設計的大型平直類量具在線自動化檢定裝置對平板進行平面度檢測（米字線法），檢測過程中的工作環(huán)境為：室內溫度為恒溫19.96 ℃，濕度為41.6%。實驗過程中，對于同一平板需對其進行10次重復性實驗，每組數(shù)據(jù)分別進行平面度分析，然后進行綜合計算評估。以下是針對0級規(guī)格為2 000 ×1 000 mm2的平板進行檢測后的10組數(shù)據(jù)。由于跨距為200 mm，因此在測量過程中單次實驗就需要采集（10×15）個數(shù)值。受篇幅的限制，本文中對每組數(shù)據(jù)只抽選對角線寫入表中，如表1所示。

本文中實驗采用的0級平板為已校準平板，該平板校準報告中對本文中實驗所測測量面的校準值為5.6 μm。

4.1依據(jù)與條件

測量方法：依據(jù)JJG 117-2013《平板》檢定規(guī)程；

環(huán)境條件：溫度：（20±3）℃；

測量標準：示值誤差為0.3''的光電自準直儀；

被測對象：尺寸應該大于或等于1 000 mm× 1 000 mm的0級平板平面度。

4.2數(shù)學模型

式中：δij— 第ij點對理想平面的偏差（μm）；— 第i 條測量截面上第j點對該截面兩端點連線的偏差（μm）；— 第i條測量截面上起始點對理想平面的偏差（μm）；— 第i 條橫向測量截面上第n點（終止端點）對理想截面的偏差（μm）；— 某一被檢截面上被檢點的終止端點序號

4.3輸入量的標準不確定度評定

4.3.1輸入量ai的標準不確定度u（ai）

輸入量ai的不確定度主要是由以下3個分量引起的。光電自準直儀的示值誤差影響的不確定度分量u1（ai）；測量重復性引起的不確定度u2（ai）；橋板定位誤差引起的不確定度分量u3（ai）。

4.3.1.1光電自準直儀的示值誤差影響的不確定度分量u1（ai）

光電自準直儀示值最大允許誤差為0.3''，可認為在±0.3''內的范圍內符合均勻分布，所以有

4.3.1.2測量重復性引起的不確定度u2（ai）

輸入量ai的不確定度來源主要是測量值的重復性，可以通過連續(xù)測量得到測量列，采用A類評定方法進行評定。首先根據(jù)測量截面長度確定分段測量跨距為250 mm，對同一測量點在同等重復性測量條件下，連續(xù)測量10次。

表1　平板實驗數(shù)據(jù) 單位（＂）

實際測量情況，在重復性條件下連續(xù)測量2次，以該2次測量算術平均值為測量結果，則可得到：

4.3.1.3橋板定位誤差引起的不確定度u3（ai）

經(jīng)實驗分析，機械小車行進帶動橋板跨距對數(shù)值影響系數(shù)為0.5，以測量時最大的橋板跨距500 mm計算。

4.3.1.4輸入量ai的標準不確定度u（ai）的計算

將光電自準直儀的示值誤差引起的不確定度分量u1（ai）、測量重復性引起的不確定度u2（ai）和橋板定位誤差引起的不確定度u3（ai）進行合成。所以，輸入量 ai的標準不確定度u（ai）為

4.3.2.1靈敏系數(shù)

數(shù)學模型：

靈敏系數(shù)的計算：

4.3.2.2標準不確定度u（Δm）的計算

為求得u（Δm）的極大值，可對上式中 m求偏導得出當m = n/2時，有極大值：

4.5擴展不確定度的評定

取 k = 2，所以擴展不確定度U為

4.5.1當平板尺寸小于等于1 000 mm時，取n = 4。如平板尺寸為1 000 mm，L = 340 mm時，平板平面度測量結果擴展不確定度為

4.5.2當平板長邊尺寸在小于等于2 000 mm 時，取n = 6。如當平板尺寸為2 000 mm×1 500 mm，L = 410 mm時，平板平面度測量結果擴展不確定度為

4.5.2當平板長邊尺寸在小于等于4 000 mm 時，取n = 8。如當平板尺寸為4 000 mm×3 000 mm，L = 600 mm時（實際測量時使用跨距如果超過500 mm，則使用分段取平均值作為測量結果），平板平面度測量結果擴展不確定度為

不確定度評定后所得的結果和JJG 117-2013中相關尺寸的平板平面度允差相比較應小于1/3，因此該不確定度是合理的。

5　結語

綜上所述，本文所介紹的裝置可大幅度縮小平直類量具測量的定位誤差，提高了測量準確度，滿足JJG 117-2013的技術要求。光電自準直儀的光路最遠距離可達10 m，因此理論上該裝置可檢測的平直類量具邊長也可達8 m。隨著邊長的增加，自準直儀的光路對直工作的難度也會增加，因此需要對使用人員進行光電自準直儀的使用培訓。

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［3］ 李曉麗.單片機與上位機串行通信系統(tǒng)設計［J］.儀表技術，2010，7：45-47.

［4］ 文治洪，胡文東，李曉京，等.基于PL2303的USB接口設計［J］.電子設計工程，2010， 18（1）：32-34.

Research on the automatic verification device of large straight measuring tools

Cheng Hao1， Ma Haohui1， Xie Xie2
（1.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology； 2.School of Mechatronics and Automation， Shanghai University）

This paper introduces an automatic verification device of large straight measuring tools which consists of a photoelectric autocollimator and mechanical device with automatic data acquisition system. The flatness measurement data can be collected by the device automatically. The reliability of the device is verified through the experimental comparison and the uncertainty evaluation of measuring results satisfied verification regulation of the platform completely.

flat； scene； automatic verification

上海市質量技術監(jiān)督局科技計劃項目（2013-08）