精密小角度校準(zhǔn)裝置的研究與設(shè)計(jì)

李 昆，何學(xué)軍，何小妹，張丙玉

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

物體在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的傾角變化是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或特征的重要參數(shù)，尤其對(duì)于小角度測(cè)量無(wú)論在軍事測(cè)量領(lǐng)域，還是在民用工程領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。用于測(cè)量小角度的器具主要有光學(xué)合象水平儀、框式水平儀、電子水平儀、自準(zhǔn)直儀等[1]，這些計(jì)量器具不僅是工程技術(shù)人員在機(jī)床設(shè)備及武器裝備的水平姿態(tài)調(diào)整中使用的必備測(cè)量設(shè)備，更是武器裝備加工和維修人員不可缺少的計(jì)量工具。此類小角度計(jì)量器具的準(zhǔn)確度對(duì)于測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要，需定期校準(zhǔn)[2]，目前國(guó)家對(duì)此類器具的校準(zhǔn)主要依據(jù)JJG 103—2005《電子水平儀和合像水平儀檢定規(guī)程》。然而，其要求的標(biāo)準(zhǔn)器較為復(fù)雜，對(duì)于一般的非專業(yè)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，在應(yīng)用過(guò)程中存在著一些難度和問(wèn)題，而且實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)現(xiàn)有的小角度校準(zhǔn)裝置操作繁瑣，耗時(shí)費(fèi)力，不便于準(zhǔn)確讀數(shù)與使用，大大影響了一線操作人員的檢定工作效率。故在此，通過(guò)利用正弦原理，研究并設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的、低成本的精密小角度校準(zhǔn)裝置。

1 系統(tǒng)工作原理及總體方案設(shè)計(jì)

1.1 小角度校準(zhǔn)裝置工作原理

精密小角度校準(zhǔn)裝置的工作原理采用的是正弦法，如圖1 所示。

圖1 小角度校準(zhǔn)裝置工作原理Fig.1 Working principle of small angle calibration device

當(dāng)杠桿L 微微抬起一個(gè)高度H 后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小角度α，即：

1.2 小角度校準(zhǔn)裝置總體方案設(shè)計(jì)

精密小角度校準(zhǔn)裝置具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。小角度校準(zhǔn)裝置由大理石平板、角度發(fā)生部件、反射鏡、測(cè)高傳感器、數(shù)顯箱、軟件組成。整套裝置放置在一定尺寸的花崗石平臺(tái)上，橫梁的一端連結(jié)支承軸，支承軸在V 型機(jī)構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)（設(shè)計(jì)有壓簧，使支承軸與V 型機(jī)構(gòu)保持接觸），另一端與微動(dòng)手輪連結(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可以使橫梁抬起或落下，其中反射鏡安裝在橫梁上，與橫梁一起繞V 型機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)；傳感器安裝在固定支架上，測(cè)頭與橫梁接觸，記錄橫梁的位移量。

圖2 小角度校準(zhǔn)裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Mechanism design of small angle calibration device

數(shù)顯箱根據(jù)得到的位移量和已知設(shè)定的L 值，計(jì)算得到相應(yīng)的角度并通過(guò)數(shù)顯表界面實(shí)時(shí)顯示。此外，角度值還可通過(guò)數(shù)顯箱配備的USB 接口，直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，再經(jīng)過(guò)按規(guī)程要求編寫(xiě)相應(yīng)的上位機(jī)測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量角度值及被測(cè)器具顯示值的示值誤差等參數(shù)的計(jì)算與顯示。

所研制的小角度校準(zhǔn)裝置技術(shù)參數(shù)如下：

①測(cè)量范圍 -50′～50′；

②分辨率 0.01″；

③最大允許示值誤差 ±0.0025 mm/m；

④外形尺寸 600 mm×300 mm×450 mm；

⑤重量 40 kg。

所研制的小角度校準(zhǔn)裝置，如圖3 所示，與傳統(tǒng)的小角度校準(zhǔn)裝置相比，操作更簡(jiǎn)單快捷，讀數(shù)更穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)更緊湊，可以避免操作上引入的人為誤差，且被測(cè)物與裝置同處于一塊平板上，抗干擾能力更強(qiáng)。該校準(zhǔn)裝置采用高精度傳感器，利用正弦原理，將被測(cè)件與設(shè)備固定在同一個(gè)平臺(tái)上，最大限度消除外界的干擾，被校設(shè)備方便裝調(diào)。

圖3 小角度校準(zhǔn)裝置實(shí)物Fig.3 Small angle calibration device

小角度校準(zhǔn)裝置配有專用上位機(jī)測(cè)量 （校準(zhǔn)）軟件，界面簡(jiǎn)潔，便于操作與計(jì)算顯示，并且整套上位機(jī)測(cè)量（校準(zhǔn)）軟件的數(shù)據(jù)處理完全依據(jù)現(xiàn)行有效規(guī)程編寫(xiě)。

2 精密小角度校準(zhǔn)裝置的各單元設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械平臺(tái)單元

小角度校準(zhǔn)裝置的機(jī)械平臺(tái)單元主要包括懸臂梁、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)、以大理石為核心的支撐平板等四部分。其中，固定轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在平板上，懸臂梁一端與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，另一端通過(guò)拉簧與平板相連；微調(diào)機(jī)構(gòu)由滾花高頭螺母通過(guò)中心軸承與旋鈕座連成一整體組成，安裝固定在平板上，并在懸臂梁上裝有反射鏡。

2.2 基于CPLD 的數(shù)顯箱單元

基于CPLD 的數(shù)顯箱單元，作為整個(gè)小角度校準(zhǔn)裝置的控制中樞部分，主要功能如下：1）實(shí)現(xiàn)對(duì)高度傳感器輸出的攜帶有方向與高度信息（H 值）的TTL 差分信號(hào)的辨向、計(jì)數(shù)及細(xì)分處理；2）通過(guò)相關(guān)算法計(jì)算，得出角度值，并完成實(shí)時(shí)顯示；3）與上位機(jī)軟件的通信，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的上下傳輸。

基于CPLD 的數(shù)顯箱作為整套裝置研制的技術(shù)核心與關(guān)鍵點(diǎn)之一，其好壞直接影響小角度校準(zhǔn)裝置的總體性能與儀表的可靠性。目前對(duì)于高度傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行辨相/細(xì)分/計(jì)數(shù)處理，通常采用四倍細(xì)分的方法[3]。然而，傳統(tǒng)的四倍細(xì)分法常采用分立、復(fù)雜的集成電路實(shí)現(xiàn)細(xì)分功能，往往造成電路信號(hào)不穩(wěn)定性、抗干擾能力差等問(wèn)題[4-5]，進(jìn)而影響光柵傳感器與數(shù)顯裝置的整體性能。故在此以常見(jiàn)四倍細(xì)分電路為基礎(chǔ)，提出基于CPLD 的高穩(wěn)定性、高集成度的四倍細(xì)分電路實(shí)現(xiàn)方案。

針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的方案主要利用EPM570 可編程邏輯器件的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化功能電路[6]，不僅從結(jié)構(gòu)、體積上簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，還提高了電路的抗干擾能力。

基于EPM570 的細(xì)分電路硬件模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。圖中，clk_in 為時(shí)鐘信號(hào)輸入；byte_en_in［1：0］為字節(jié)輸出選擇，可最多實(shí)現(xiàn)32 位數(shù)據(jù)的輸出；wave_sin_in 為輸入信號(hào)A；wave_cos_in 為輸入信號(hào)B；rst_n_i 為復(fù)位端；data_o 為輸出數(shù)據(jù)（8 位）。

圖4 基于EPM570 的細(xì)分電路硬件模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Hardware module design of subdivision circuit based on EPM570

2.3 測(cè)高傳感器單元

圖5 測(cè)高傳感器單元實(shí)物Fig.5 Physical object of height sensor unit

該校準(zhǔn)裝置的測(cè)高傳感器單元主要采用高精度微位移傳感器（如圖5 所示）。這一傳感器主要運(yùn)用光柵莫爾條紋，輸出2 路相位差90°的TTL 數(shù)字信號(hào)[7]。該測(cè)高傳感器具有測(cè)量范圍大，精度高，且堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，完全滿足精密小角度校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)要求。

微位移傳感器可選用12，25，30，60，100 mm 等多種測(cè)量量程的產(chǎn)品。因此，一款小角度校準(zhǔn)裝置可以通過(guò)選用不同測(cè)量范圍的產(chǎn)品來(lái)測(cè)量不同的零件，從而避免頻繁地更換或者重復(fù)采購(gòu)價(jià)格昂貴的測(cè)量設(shè)備。該傳感器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 微位移傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of micro displacement sensor

3 精密小角度校準(zhǔn)裝置的程序設(shè)計(jì)

該校準(zhǔn)裝置的程序設(shè)計(jì)主要有控制單元的驅(qū)動(dòng)程序和校準(zhǔn)裝置上位機(jī)應(yīng)用界面。

3.1 控制單元的驅(qū)動(dòng)程序

控制單元的驅(qū)動(dòng)程序主要采用keilC51 軟件編寫(xiě)。驅(qū)動(dòng)程序首先完成對(duì)各個(gè)芯片的初始化設(shè)計(jì)，然后是利用外部中斷，接收外部觸摸控件的觸發(fā)指令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與控制函數(shù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息實(shí)時(shí)交互。其具體流程如圖6 所示。

圖6 小角度校準(zhǔn)裝置執(zhí)行流程Fig.6 Flow chart of small angle calibration device

首先將傳感器連接于數(shù)顯表，接通數(shù)顯表后電源，將數(shù)顯表后的開(kāi)關(guān)調(diào)至ON，此時(shí)校準(zhǔn)裝置設(shè)備已經(jīng)打開(kāi)。將被測(cè)儀器按照不同測(cè)量功能放置于指定的待檢位置。測(cè)量前，如果需要對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)零或者L 值修改操作，則通過(guò)觸摸控件進(jìn)入設(shè)置界面，通過(guò)相應(yīng)的觸摸控件設(shè)置完成具體操作。該校準(zhǔn)裝置具有位置開(kāi)關(guān)機(jī)記憶功能，故上次關(guān)機(jī)或掉電的位置即為此次上電時(shí)顯示的初始位置，按“清零”鍵可將當(dāng)前初始位置清零開(kāi)始測(cè)量。

為保障測(cè)量的準(zhǔn)確性和量程范圍的最大化，建議盡量選擇傳感器測(cè)量量程的中間位置作為測(cè)量初始位置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕產(chǎn)生角度，由數(shù)顯表讀出確切數(shù)據(jù)，用于自準(zhǔn)直儀、電子水平儀等的測(cè)量。

3.2 校準(zhǔn)裝置上位機(jī)應(yīng)用界面

該校準(zhǔn)裝置上位機(jī)應(yīng)用界面的設(shè)計(jì)采用了Visual Studio，主要實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、分析與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。小角度校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用界面如圖7 所示。

圖7 小角度校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用界面Fig.7 Application interface of small angle calibration device

4 裝置測(cè)試試驗(yàn)

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案的可行性，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)，并在某型傳動(dòng)傾斜運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。電子水平儀與小角度檢查儀的比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 1 級(jí)自準(zhǔn)直儀與小角度檢查儀比對(duì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of comparison between level 1 autocollimator and small angle tester

表3 電子水平儀與小角度檢查儀比對(duì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of comparison between electronic level and small angle tester

由表2 和表3 可知，在各點(diǎn)處所研制的小角度校準(zhǔn)裝置儀的示值均滿足最大允許示值誤差±0.0025 mm/m 的技術(shù)指標(biāo)要求。

后期的客戶使用情況表明，該裝置能夠滿足客戶單位對(duì)專用的位移傳感器校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用需求，并對(duì)角度類儀器的檢查起著至關(guān)重要的作用，成為科研工作不可缺少的檢定儀器，可為廣大科研單位、各二三級(jí)計(jì)量站、主機(jī)場(chǎng)所使用，不僅可用于檢定自準(zhǔn)直儀、合像水平儀、電子水平儀等計(jì)量器具，還可用于其他需要產(chǎn)生小角度的科研生產(chǎn)場(chǎng)所。該裝置可以提高工作效率，具有性能穩(wěn)定，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足國(guó)防軍工系統(tǒng)內(nèi)對(duì)小角度校準(zhǔn)高精度、高效率和自動(dòng)化校準(zhǔn)的迫切需要，有利于國(guó)防檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)的量值傳遞和溯源。

5 結(jié)語(yǔ)

在此提出了一種精密小角度校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)方案，并研制出了實(shí)物裝置。測(cè)試試驗(yàn)表明，不僅在功能上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，完全能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)于小角度測(cè)量的要求，該設(shè)計(jì)方案也為開(kāi)展高精度的小角度測(cè)量方法研究提供了一種參考思路。