炫晶板平面度高精度實時在線測量系統(tǒng)設(shè)計

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(1.中關(guān)村人居環(huán)境工程與材料研究院，北京 100083；2.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083)

現(xiàn)代經(jīng)濟與科技飛速發(fā)展，各種行業(yè)，如機械、醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品、建筑、航空航天行業(yè)等[1]，都需要高精度的儀器來滿足加工與測量的要求。炫晶板作為室內(nèi)的高端裝修材料，其平面度對裝修的美觀度及牢固性有很大的影響。利用計算機集成技術(shù)，運用高精度、高效率的實時檢測進行平面度誤差檢測已成為目前平面度測量的重點[2]。目前國內(nèi)外測量平面度誤差的方法很多，但大體可分為直接測量、間接測量與組合測量三類，劃分的兩個準則是與理想要素比較準則和測量坐標準則。龔玉玲等[3]根據(jù)均勻試驗設(shè)計理論優(yōu)化采樣點數(shù)據(jù)，使用SAS(Statistical Analysis System)軟件描述誤差正態(tài)分布特征，測點少，且可有效、準確地擬合出最佳平面，得到被測板的平面度誤差[4]。趙峻松[5]提出三維激光平面度檢測技術(shù)，該技術(shù)首先采用掃描儀自身的Vxelements軟件提取測點云數(shù)據(jù)，然后對云數(shù)據(jù)通過Geomagic Qualify軟件進行濾波處理，并進行最佳擬合，既可計算出精準的平面度誤差值，又能提高檢測和安裝效率。

1 平面度測量系統(tǒng)搭建及方案

檢測平臺地面由150 mm厚的大理石組成，在其四角安裝鋁合金支架用于支撐傳感器。在頂板上方等距安裝傳感器，傳感器的布局采用九點式分布的方式。檢測平臺俯視圖如圖1所示。

圖1 檢測平臺俯視圖

傳感器固定在待測炫晶板正上方，并且對底部大理石板材進行三坐標標定，通過修正底面大理石數(shù)據(jù)，得到理想的參考平面，使得最終擬合平面的誤差最小。檢測平臺主視圖如圖2所示，待測炫晶板俯視圖如圖3所示。

圖2 檢測平臺主視圖

本系統(tǒng)選擇松下公司的HG-C1050激光位移傳感器，測量中心距激光發(fā)射點50 mm，測量范圍±15 mm，每個傳感器控制誤差在30μm以下。傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 待測炫晶板俯視圖

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)

程序主界面如圖5所示，其主要分為串口與數(shù)據(jù)顯示兩部分，首先需要打開對應(yīng)串口與傳感器正確連接，傳輸正常后再開始測量，對傳感器發(fā)出指令并接收數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，最后在窗口顯示數(shù)值。點擊停止測量后串口仍然保持通訊狀態(tài)，數(shù)據(jù)顯示textbox為最后一次測量的數(shù)值，點擊關(guān)閉串口的同時測量狀態(tài)停止。

圖5 程序主界面

與數(shù)據(jù)采集器通信時采取問答的模式，每隔100 ms進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，一旦發(fā)送成功，則數(shù)據(jù)采集器會返回一組23字節(jié)的數(shù)據(jù)，觸發(fā)串口的接收事件。用TX與RX進行計數(shù)，并將得到的數(shù)據(jù)直接展示在文本框里進行調(diào)試，檢查串口通信是否正常。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

隨機選取5塊板子，對其一個面進行兩次同向測量并取均值，按照最小區(qū)域法得到兩個平面度誤差值，此時將數(shù)據(jù)與三坐標測量儀產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比，可以對本系統(tǒng)的精確性得到一個比較直觀的判斷。

三坐標測量法是常用的平面度檢測方法之一，通過采用接觸式紅寶石球形探針對產(chǎn)品表面進行觸碰式取多點，再通過軟件模塊運算其平面度值。該測量法測量精度高，用時少。

三坐標測量機在操作時需要嚴格遵守其操作規(guī)范。在三坐標儀測量的開始，要根據(jù)不同的被測對象選擇合適的測點位置和數(shù)量，完成畫線。選擇點數(shù)太多會影響效率，點數(shù)太少則影響測量精度，所以點數(shù)的確定尤為重要。本次實驗采用的是3×5個測點，采用手動模式對板材采取矩形柵格提取方案，等間距提取15個測點進行測量。

運行測量系統(tǒng)并比較該方法與目前精確度最高的三坐標法所產(chǎn)生的差異，驗證算法的有效性、穩(wěn)定性和工程應(yīng)用價值。隨機選取40塊板子，對其一個面進行兩次測量并取均值，按照最小區(qū)域法可以得到兩個平面度誤差值，此時將數(shù)據(jù)與三坐標測量儀產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比，90%的計算結(jié)果與三坐標測量值的誤差控制在50 μm以下，滿足對數(shù)據(jù)精度的要求，但有10%的數(shù)據(jù)超出了50 μm的范圍，對平面度檢測合格率有一定的影響。

3 總結(jié)與展望

(1)對基于最小區(qū)域法平面度誤差的這一評定算法，雖然是國內(nèi)外學(xué)者普遍認同的高精度測量方法，但在實際應(yīng)用中仍然存在一定的不確定性，且與此項算法研究的有關(guān)文獻較少，至今還沒有成熟的研究成果。

(2)人工復(fù)檢結(jié)果仍然有一定幾率與本系統(tǒng)測量出的判定結(jié)果有出入，人在操作時擺放被測板時有偶然性，導(dǎo)致板子某個支點將板子支起，塞尺可以進入，使人工檢測結(jié)果超過閾值被判定為不合格板。進行多次試驗后，考慮板子本身的不均勻誤差后決定犧牲一部分效率進行正反雙向多次測量，以此作為共同判定結(jié)果，但有關(guān)判定板材平面度合格的閾值(本系統(tǒng)規(guī)定為0.25 mm)仍有待探討，其是否會導(dǎo)致人工檢查出現(xiàn)系統(tǒng)誤差還不確定。

(3)支撐點的數(shù)目及位置的選擇與測量關(guān)系密切，單憑三點支撐一個平面這個簡易的數(shù)學(xué)原理對支撐點進行選擇還缺乏理論依據(jù)，但目前對此領(lǐng)域的研究較少，文獻也比較貧乏，在限定的時間內(nèi)無法有更深一步的研究，在這方面仍然有許多問題需要進一步探討。