基于KUNZ垂直度檢查儀的自動化改造

常祿萍 陳鑫 陳浩 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

基于KUNZ垂直度檢查儀的自動化改造

常祿萍 陳鑫 陳浩 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

介紹在KUNZ垂直度檢查儀基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。通過加裝驅(qū)動系統(tǒng)，采用直流電機(jī)使鋼帶拉動測量擋板自下往上的運動，從而完成整個測量過程。在測量過程中通過電感儀采集的數(shù)據(jù)經(jīng)專用數(shù)據(jù)線傳入電腦，經(jīng)過自編軟件對其進(jìn)行分析計算，最終得出測量結(jié)果。經(jīng)過不確定度的評定后測量結(jié)果滿足JJG 7-2004《直角尺》檢定規(guī)程的要求。

垂直度檢查儀；自動化；設(shè)計

0 引言

瑞士生產(chǎn)的KUNZ垂直度檢查儀的主體是高精度的柱狀大理石精密構(gòu)件。其真空裝置由內(nèi)部空氣壓力系統(tǒng)提供動力，通過開關(guān)貫入高壓氣體使得儀器的底面與大理石平臺之間形成空氣薄膜，以便檢定人員能使其在大理石平臺上作平滑移動。此外，手動擋板通過氣動裝置產(chǎn)生負(fù)壓，使擋板能夠在不依賴外力的作用下牢牢地吸附在導(dǎo)軌基面上。該類儀器每次使用都需進(jìn)行調(diào)整, 測量很不方便。

本文提出在KUNZ垂直度檢查儀手動測量基礎(chǔ)上加裝直流電機(jī)，通過電機(jī)驅(qū)動使鋼帶拉動測量擋板自下往上運動，從而完成整個測量過程。電感儀采集數(shù)據(jù)經(jīng)專用數(shù)據(jù)線傳入電腦，通過自編軟件對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析計算，最終得出測量結(jié)果。

1 KUNZ垂直度檢查儀機(jī)械設(shè)計

在理想的測量過程中，測量擋板自下往上的運動應(yīng)該是勻速直線運動，此時電感測微頭受到的外力波動最小，得到的數(shù)據(jù)也最穩(wěn)定。傳統(tǒng)的人工手動方法，即使再經(jīng)驗豐富的操作人員也無法保證全程勻速運動。因此，采用在測量擋板的頂端加裝掛扣，在直角尺檢查儀的頂部安裝可逆電機(jī)，通過可逆電機(jī)帶動連接測量擋板的皮帶來實現(xiàn)其勻速上升。在上升過程中，電感測微頭以相同的時間間隔不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，到達(dá)頂端后，軟件對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最終的結(jié)果。

1.1 動力裝置

對于KUNZ的垂直度檢查儀，其空間有限，因此，需要選用尺寸較小的直流電機(jī)。又因為儀器在工作狀態(tài)下氣動電源處于開啟狀態(tài)，因此，皮帶在拉動測量擋板的時候不僅要克服本身的重力及靜摩擦力，還需要克服氣動裝置產(chǎn)生的吸附力，所以，需要選用起動力矩大的電機(jī)。結(jié)合以上兩點，選用了直流可逆電機(jī)作為動力核心部件。

1.2 傳動裝置

傳動裝置由轉(zhuǎn)筒、滑輪和鋼帶組成。直流電機(jī)帶動了轉(zhuǎn)筒，轉(zhuǎn)筒上的滑輪通過傳動將吊在測量擋板上的皮帶做向后傳送運動，由于滑輪和皮帶之間靜摩擦因數(shù)較小，因此需要在直角尺檢定儀后側(cè)增加比重塊來增加摩擦因數(shù)，使得皮帶能夠勻速運動，最終完成測量過程。

1.3 定位裝置

在使用垂直度檢查儀打表檢定過程中，很重要的準(zhǔn)備工作就是要尋找到電感測微頭和被測直角尺的轉(zhuǎn)折點，也就是拐點。只有找對了拐點，才能使得測量數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差減小到最低。原KUNZ垂直度檢查儀未附配套的定位裝置，因此，為了減少尋找拐點所耗費的時間精力，特地設(shè)計了若干定位輔助墊塊。根據(jù)實際的使用要求，輔助墊塊兩平行平面的平行度及平面度不能超過0.6 μm。該輔助墊塊采用鋁作為材料，經(jīng)過發(fā)黑拋光處理，現(xiàn)有的加工技術(shù)完全可以使其達(dá)到使用要求。

2 數(shù)據(jù)處理程序

2.1 運算程序

根據(jù)改造方案設(shè)計要求，軟件部分需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出和保存的作用。其中在人機(jī)交互中需要滿足實際的操作流程。其工作流程見圖1。

圖1 測量工作流程圖

開啟軟件后，首先會進(jìn)入到設(shè)置參數(shù)的界面，根據(jù)檢測的規(guī)范和步驟作好記錄；然后動力裝置啟動，通過傳動裝置使得測量擋板勻速運動，同時軟件開啟數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集結(jié)束時應(yīng)先關(guān)閉軟件上數(shù)據(jù)采樣功能，再關(guān)閉機(jī)械自動化系統(tǒng)。軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出到一個excel文件中，并根據(jù)需要顯示采樣點的分布情況。

為了完成軟件的設(shè)計，采用VisualStdio 2010在netframe 4.0框架下VB語言開發(fā)。軟件利用了軟件調(diào)試、虛擬串口仿真調(diào)試和聯(lián)機(jī)在線調(diào)試以及實驗驗證，完成軟件的測試。

2.1 軟件

軟件的設(shè)計，主要是基于VB的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，獲取對象的參數(shù)屬性、數(shù)據(jù)的通信、處理和輸出等程序。這里主要指的是設(shè)置參數(shù)的獲取過程、串口通信的設(shè)置、采樣過程的協(xié)調(diào)、基于最小二乘法的直線的擬合數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出到excel和顯示的程序設(shè)計。

2.2 參數(shù)的傳遞和獲取

正如在界面設(shè)計中所述，在人機(jī)交互中涉及的參數(shù)需要傳遞給程序處理。主要參數(shù)的輸入方式采用文本框的change事件來實現(xiàn)。其中，由于涉及后面數(shù)據(jù)的處理，有必要對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。雖然VS支持一定的數(shù)據(jù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，但是在實際調(diào)試和實驗中，很容易在數(shù)值轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)問題?；诖耍O(shè)計參數(shù)的提取時，需要分清參數(shù)類型并正確地轉(zhuǎn)換和保存。對于參數(shù)，其定義起到了決定的作用。控制好參數(shù)的作用域才能既保證軟件的運行通暢和各模塊對于參數(shù)的順利調(diào)用。根據(jù)實際情況，在數(shù)據(jù)操作界面下完成很多的操作，其中在數(shù)據(jù)輸出步驟中需要調(diào)用記錄參數(shù)界面下設(shè)置的參數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集和串口通信

主要采集TT20儀器通過串口傳輸?shù)杰浖械臄?shù)據(jù)。這里采用VS2010的串口通信控件——MSComm控件，該控件和VB6.0中的控件功能是一致的。在VS中是自帶了該控件的，但一般需要在工具箱中添加Microsoft Communications control 6.0。需要說明的是，該控件調(diào)用和控制的是PC機(jī)系統(tǒng)中的串口通信模塊。如果操作系統(tǒng)中缺乏這些模塊，是無法使用該空間的功能，并且在軟件使用中也會報錯。

首先根據(jù)TT20使用手冊，對串口通信的控制信號有一定的時序要求。其中核心的是，需要控制串口的DTR接口的控制時序，需要保持50～500 ms的低電平來發(fā)送控制命令，然后儀器端返回實時的測量數(shù)據(jù)。軟件中添加計時來實現(xiàn)對DTR的控制，利用延時程序來保證其實際要求。

2.4 數(shù)據(jù)的處理和輸出

通過串口獲得的數(shù)據(jù)通過類型轉(zhuǎn)換存儲在數(shù)組中。數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)方法是最小二乘法。另外，根據(jù)設(shè)計要求，還需要計算采樣點到最終的擬合直線的最大距離，作為檢測的最大值。

3 試驗驗證

3.1 實驗驗證

對一塊尺寸為500 mm×500 mm的大理石直角尺，采用改造后的垂直度檢查儀重復(fù)測量10次。實驗結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

3.2 不確定度分析評定

1）得到本次實驗垂直度誤差測量列，如表2所示。

實驗標(biāo)準(zhǔn)差

則

2）直角尺檢查儀電感測微頭的示值誤差引起的不確定度分量u2及自由度v2

分度值為0.001 mm的電感測微頭在任意30分度內(nèi)的示值誤差為±0.2 μm。按均勻分布，其相對不確定度為10%，則

3）大理石平板本身平面度的示值誤差引起的不確定度分量u3及自由度v3

平板工作面平面度偏差，1 000 mm直線上的誤差一般在5 mm以內(nèi)，服從均勻分布，半寬度a=5 mm，包含因子。

4）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(a)：

自由度為

5）擴(kuò)展不確定度

取置信概率p=95%，查t分布表得到：

擴(kuò)展不確定度U95為

測量不確定度的表示：

4 結(jié)語

經(jīng)查閱直角尺檢定規(guī)程，00級500 mm大理石直角尺的垂直度允許誤差為3 μm，因此，本次評定的不確定度小于允差的1/3，因此該方法可行有效，滿足JJG 7-2004《直角尺》檢定規(guī)程要求。

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Automatic transformation design based on KUNZ verticality instrument

Chang Luping，Chen Xin，Chen Hao
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The paper introduces one kind of transformation is based on the KUNZ verticality tester. Through the drive system, the DC motor is used to pull the steel belt to measure the movement of the baffle from the top to bottom, so as to complete the whole measurement process. In the measurement process, the data collected by the inductance instrument is transmitted to the computer through a special data line, and the software is used to analyze and calculate the data. After the evaluation of the uncertainty, the measurement results meet the requirements of the JJG 7-2004Square Verification Regulations.

verticality tester; automation; design