針對傾角儀、角度編碼器及多面棱體的校準裝置

陳浩 劉闖 鄒文哲 / .上海市計量測試技術(shù)研究院，上海市在線檢測與控制技術(shù)重點實驗室；2.上海大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院

0 引言

數(shù)顯角度儀校準裝置是實驗室進行角度測量時使用的主標準器，主要用于開展數(shù)顯傾角儀、電子水平尺、角度規(guī)等數(shù)顯角度測量設(shè)備的校準工作。該裝置核心部件為圓光柵編碼器，其測量范圍0 ～ 360°，測量不確定度 2′′，分辨力達到 0.000 1°。校準工作參照的技術(shù)依據(jù)為JJF 1915-2021 數(shù)顯傾角儀校準規(guī)范。

傾角儀作為測量角度的常用設(shè)備，是用于測量一個平面（或圓柱面）相對于水平面的傾斜角及平面（或圓柱面）之間夾角的儀器，包括采用電子傾角傳感器的電子數(shù)顯傾角儀和機械傾角測量機構(gòu)的光學(xué)傾斜儀。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，以數(shù)字量輸出（REP）。多面棱體是一種高準確度的標準器件，一般為正多面棱體。該器件常用于檢定一些角度值誤差，例如在檢定光學(xué)分度臺時能夠測出齒輪的分度誤差，分度頭、測角儀等圓分度儀器的分度誤差。同時，在高準確度的機械加工或測量中也可以作為角度的定位基準。

本文介紹一種角度校準裝置，該裝置可以實現(xiàn)多種被校儀器的校準功能。其采用高精度的圓光柵角度編碼器，保證整個校準方法的校準準確度；設(shè)計一套能夠適應(yīng)各種規(guī)格傾角儀的不同裝夾方式的夾具結(jié)構(gòu)；此外，為角度編碼器與多面棱體設(shè)計了一個通用的三面定位裝置，實現(xiàn)對不同被校儀器的通用性。該校準方法具有操作簡單、校準準確度高、適用性廣泛等優(yōu)點。

1 校準裝置的機械結(jié)構(gòu)

本校準裝置主要是解決現(xiàn)有校準方法中所存在的人為誤差，同時提供一種操作簡單、使用便利的能夠校準多種被校儀器的自動化校準方法。為了節(jié)省空間與成本，實現(xiàn)一機多用，該校準方法設(shè)置通用安裝定位孔，在進行角度編碼器校準時，可以正常工作；當(dāng)要實現(xiàn)多面棱體校準時，可對角度編碼器組件進行整體拆卸，對應(yīng)預(yù)置孔位安裝多面棱體組件。兩個組件可以無障礙換裝實現(xiàn)不同的功能。

1.1 校準裝置整體結(jié)構(gòu)

本校準裝置的校準原理是利用高準確度標準器件校準檢定低準確度器件。新型校準裝置主要為一個整體平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對傾角儀、多面棱體、角度編碼器三種被校儀器的校準功能，適用范圍廣。平臺的底座安裝千斤頂，能夠完全適應(yīng)檢測現(xiàn)場的臨時固定與調(diào)平。本校準裝置主要通過測量角度值，對傾角儀、多面棱體、角度編碼器進行角度校準。校準裝置主要分為傾角儀部分、多面棱體部分、角度編碼器部分等。整體機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多功能校準裝置機械結(jié)構(gòu)

1.2 傾角儀夾具組件

市場上的數(shù)顯角度測量設(shè)備外形、尺寸多種多樣，其中一部分有磁鐵吸附功能，一部分只有簡易的塑料外殼。而單軸和多軸測量設(shè)備的測量工作面也不盡相同。被測樣品在測量過程中繞其工作軸轉(zhuǎn)動，單軸測量設(shè)備可顯示繞x軸轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)過的角度β，雙軸測量設(shè)備可同時顯示繞x軸和y軸轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)過的角度β和α。為應(yīng)對實際測量的需求，夾具在沿y軸方向和垂直x-y平面的方向都可對樣品進行固定。保證在校準時裝夾方便，調(diào)整快捷，對中性強，適應(yīng)各種尺寸類型的角度類儀器的裝夾等特點。

本校準裝置采用了一種用于傾角儀校準的夾具，包括：核心板（沿豎向設(shè)置）、托板（橫向設(shè)置在核心板的底部，其上表面設(shè)置有兩個水平彈簧滑塊組件，分別從兩側(cè)面頂推傾角儀，形成夾持結(jié)構(gòu)）、側(cè)板（與托板的上表面垂直連接）、壓板（與側(cè)板并行）、壓緊板（與壓板的內(nèi)側(cè)面之間設(shè)置有多根頂推彈簧）、驅(qū)動機構(gòu)（連接在核心板與壓板之間，用于驅(qū)動側(cè)板壓板帶動壓緊板向側(cè)板移動，以便壓板以及側(cè)板分別頂推傾角儀的兩端形成夾持機構(gòu)）、壓緊板以及側(cè)板設(shè)置有向下推壓的且與托板配合形成夾持結(jié)構(gòu)的豎向彈簧滑塊組件。夾具組件中的側(cè)壓板驅(qū)動采用直流電機，通過增加一個控制壓簧變形量的行程開關(guān)控制電機的起動與停止。

對不同規(guī)格、大小傾角儀的夾持采用左右夾緊的方式。該夾具可以從三個方向為傾角儀提供穩(wěn)定的夾持力，且傾角儀兩個端面可通過側(cè)板配合活動的壓板調(diào)節(jié)夾持力，使傾角儀得到穩(wěn)定可調(diào)的夾持，并保證了不同放置方式（立式或臥式）傾角儀的夾持。機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 夾具部件機械結(jié)構(gòu)

1.3 角度編碼器組件

本校準裝置含一種編碼器校準裝置，包括：編碼器夾持機構(gòu)，其中，頂面設(shè)置有V形槽的V形塊，以及設(shè)置在V形塊上方用于向下壓緊被測角度編碼器的壓緊塊；步進電機，其轉(zhuǎn)軸的一端用于和所述編碼器夾持機構(gòu)所夾持的被測角度編碼器的轉(zhuǎn)軸同軸連接；基準角度編碼器則通過驅(qū)動軸與該步進電機轉(zhuǎn)軸的另一端連接。角度編碼器機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。本裝置可適用多種規(guī)格的被測樣品，同時實現(xiàn)校準過程的自動化。對于不同規(guī)格角度編碼器的校準，設(shè)置了不同規(guī)格高度的V形塊，同時保證編碼器旋轉(zhuǎn)軸與前端步進電機、高精度編碼器同軸度，以達到減少誤差并且校準不同規(guī)格角度編碼器的設(shè)計要求。

圖3 角度編碼器機械結(jié)構(gòu)

將高精度角度編碼器與被測角度編碼器的轉(zhuǎn)軸連接同軸，同步、順滑旋轉(zhuǎn)，對比兩個角度編碼器的示值，計算被測角度編碼器的分度誤差。

1.4 多面棱體組件

本校準裝置含一種多面棱體校準裝置，包括：膨脹芯軸，包含套筒以及錐形螺栓，套筒的第一端與多面棱體的中心孔相適配，分為若干膨脹片，當(dāng)錐型螺栓旋入套筒時撐開各膨脹片，以脹緊固定多面棱體；步進電機，其轉(zhuǎn)軸的一端與膨脹芯軸同軸連接；基準角度編碼器，通過驅(qū)動軸與上述步進電機轉(zhuǎn)軸的另一端連接。膨脹芯軸通過旋扭錐形螺栓調(diào)節(jié)膨脹的脹緊力，保證多面棱體與驅(qū)動軸的同軸度，減少校準誤差。圖4為膨脹芯軸，圖5為錐形螺栓。

圖4 膨脹芯軸

圖5 錐形螺栓

該校準方法采用直接測量法，選用伺服電機或步進電機驅(qū)動，減速齒輪機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)速降低后經(jīng)傳動裝置到達圓光柵編碼器，實現(xiàn)角度定位。將編碼器、夾具和被校儀器固定到同一根傳動軸，從而消除編碼器與傾角儀轉(zhuǎn)動過程中的相對誤差。將同軸旋轉(zhuǎn)過后的高精度絕對式編碼器的示值與攝像頭識別的傾角儀示值進行對比校準；同理，可將同軸旋轉(zhuǎn)過后的角度編碼器的示值與高精度絕對式編碼器的示值進行對比校準；多面棱體的校準采用自準直儀和高精度編碼器作為標準器，測量時使棱體的回轉(zhuǎn)中心與校準裝置的回轉(zhuǎn)中心重合，同時調(diào)整自準直儀的光軸垂直于校準裝置的回轉(zhuǎn)軸線。以24面棱體為例，標準棱體將圓周分劃為24個角。將裝置測得的數(shù)據(jù)與自準直儀的示值比較得到24個偏差。

2 自動校準過程與控制

本校準裝置實現(xiàn)計算機端控制，傳動裝置由電機驅(qū)動，并通過攝像頭實現(xiàn)自動讀取示值功能。主要流程結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 校準裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1 分度與驅(qū)動元件的選擇

步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給出一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度。電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生，應(yīng)用步進電機的細分實現(xiàn)對角度編碼器的調(diào)節(jié)。

計劃選用三相步進電機，步距角為1.2°。將步進電機與驅(qū)動器進行配合工作，可以對步進電機的旋轉(zhuǎn)角度進行控制，設(shè)置細分倍數(shù)，獲得相應(yīng)整數(shù)的脈沖數(shù)。

根據(jù)校準裝置機械結(jié)構(gòu)，電機的主要負載為支撐夾具部分的旋轉(zhuǎn)運動。將夾具部分等效為一個實心長方體，根據(jù)公式計算轉(zhuǎn)動慣量

設(shè)定步進電機加速運行過程為 1 s，則角加速度為 1.57 rad/s2，所需力矩為 0.847 8 N/m。同時根據(jù)其負載情況，總力矩等于慣性力矩和負載力矩的總和。根據(jù)力矩對步進電機選型，選用型號如表1所示。

表1 步進電機參數(shù)

步進電機驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，驅(qū)動步進電機按照設(shè)定的方向與高精度編碼器的光柵細分轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為步距角，步進電機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行，所以可通過控制脈沖數(shù)控制角位移量，達到準確的定位，而且可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而實現(xiàn)對步進電機所驅(qū)動的機構(gòu)達到調(diào)速的目的[5]。選用型號為iD368的驅(qū)動器（如圖7）與步進電機進行配合工作，步進電機與驅(qū)動器采用共陽極接法 （如圖8）。

圖7 驅(qū)動器型號

圖8 共陽極接法

2.2 上下位機通信

上位機與下位機之間的通信，是采用LabVIEW軟件對上位機進行軟件編寫，應(yīng)用單片機對直流電機或步進電機控制下位機，并將角度編碼器與傾角儀的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，對數(shù)據(jù)進行采集處理。對于有輸出數(shù)據(jù)接口的傾角儀，直接用數(shù)據(jù)線與上位機進行連接，對于沒有輸出接口或有輸出接口但不開放的傾角儀，用攝像頭采集顯示屏圖像，并設(shè)計算法，識別圖像中的數(shù)據(jù)。

單片機與計算機（上位機）的通信通過單片機串口與計算機的外擴接口之間的連接來實現(xiàn)。通過LabVIEW軟件向單片機發(fā)送信號指令，單片機在接受指令以后，根據(jù)信號控制電機的驅(qū)動模塊，進而控制驅(qū)動電機的運動。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一個自動化便攜式的對三種對象即傾角儀、角度編碼器、多面棱體一體化的校準裝置，實現(xiàn)了從手動校準到自動化校準，利用圓光柵編碼器高分辨力、高準確度的特性，滿足高準確度測量設(shè)備的校準需求，減少了傾角儀、角度編碼器及多面棱體的校準誤差，縮減了送檢時間和送檢成本。