陳 浩　馬浩慧　謝 燮/ .上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院

大型平直類(lèi)量具在線(xiàn)自動(dòng)化檢定裝置*

陳 浩1馬浩慧1謝 燮2/ 1.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院

介紹了一種以光電自準(zhǔn)直儀和自行設(shè)計(jì)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)小車(chē)及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)組成的大型平直類(lèi)量具在線(xiàn)自動(dòng)化檢定裝置。這套裝置可以實(shí)現(xiàn)該類(lèi)平面度測(cè)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程自動(dòng)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)驗(yàn)證了該裝置的可靠性，并且評(píng)定了測(cè)量結(jié)果的不確定度。該檢定裝置完全滿(mǎn)足最新的《平板》檢定規(guī)程對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的要求。

平板；在線(xiàn)；自動(dòng)化檢定

0　引言

大型平直類(lèi)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(yàn)平板、長(zhǎng)導(dǎo)軌等的平面度，也常用光隙法檢驗(yàn)工件棱邊的直線(xiàn)度。對(duì)于大型平直類(lèi)量具的檢定，從理論上說(shuō)只要肯花時(shí)間和精力，用電子水平儀和橋板人工一段段檢測(cè)也是能夠完成的，但是極低的工作效率是其最大的缺點(diǎn)，很有可能在一整天檢測(cè)之后發(fā)現(xiàn)最終的測(cè)量結(jié)果可靠程度不高。本項(xiàng)目就是要解決此類(lèi)大型量具的平面度檢測(cè)難題。采用新型光電自準(zhǔn)直儀，利用光學(xué)自準(zhǔn)原理將角度測(cè)量轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性測(cè)量，并且用光電瞄準(zhǔn)對(duì)線(xiàn)替代了人工瞄準(zhǔn)線(xiàn)，消除了人工誤差，實(shí)現(xiàn)全程數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集。

1　目的

本項(xiàng)目主要針對(duì)大型平直類(lèi)量具的平面度檢測(cè)，最終要研制一個(gè)典型的機(jī)電一體化設(shè)備，并建立可擴(kuò)展的完備測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)。該檢定裝置的功能包括：（1）完成自動(dòng)采集設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制和無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能；（2）實(shí)現(xiàn)精確的位置判斷和不同跨距的大小調(diào)節(jié)功能；（3）可實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)自動(dòng)保存的功能。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)平板測(cè)量環(huán)境和測(cè)量方法，大型平直類(lèi)量具在線(xiàn)自動(dòng)化檢定裝置主要由驅(qū)動(dòng)部分和采集部分組成。驅(qū)動(dòng)部分分為驅(qū)動(dòng)裝置和定向裝置。驅(qū)動(dòng)裝置主要靠步進(jìn)電機(jī)對(duì)機(jī)械小車(chē)進(jìn)行控制，采用兩個(gè)并聯(lián)的步進(jìn)電機(jī)，放在采集儀的同一側(cè)，在外殼上裝有軸承，電機(jī)通過(guò)與軸承連接穿出殼體，與驅(qū)動(dòng)輪連接；定向裝置主要采用導(dǎo)軌形式。為了方便使用，本設(shè)計(jì)中主要使用同步帶搭配同步輪完成。采集部分分為調(diào)節(jié)裝置和測(cè)量裝置。調(diào)節(jié)裝置主要通過(guò)鋁合金材質(zhì)的長(zhǎng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)度的長(zhǎng)導(dǎo)軌進(jìn)行更換，和長(zhǎng)導(dǎo)軌上不同固定位置的更換實(shí)現(xiàn)跨距的變動(dòng)；測(cè)量裝置主要使用測(cè)量軸。測(cè)量軸安裝在采集部分的底面，使其與平板被測(cè)面貼合。由于整個(gè)平直類(lèi)量具檢定裝置自重較大，不需要配重即可以滿(mǎn)足測(cè)量軸與被測(cè)面牢固貼合的問(wèn)題。連接部分主要是采用兩個(gè)萬(wàn)向連接塊，分別與測(cè)量部分和驅(qū)動(dòng)部分X軸兩側(cè)連接，并限制連接塊只有上下一個(gè)自由度，因此保證自動(dòng)采集儀在運(yùn)動(dòng)采集過(guò)程中，后側(cè)采集部分不會(huì)由于驅(qū)動(dòng)部分的上下偏移而脫離被測(cè)面。

平板表面檢測(cè)屬于大平面檢測(cè)。測(cè)量過(guò)程中，大型平直類(lèi)量具在線(xiàn)自動(dòng)化檢定裝置的機(jī)械小車(chē)（即驅(qū)動(dòng)部分）不一定會(huì)沿著初始行駛軌跡行駛下去。由于機(jī)械小車(chē)的四個(gè)輪子是獨(dú)立的，可調(diào)性小或根本不可調(diào)，在小車(chē)行走的過(guò)程中導(dǎo)致四個(gè)輪子左右高低不平，因此四只輪子的接地點(diǎn)不在一個(gè)水平面上。而步進(jìn)電機(jī)馬力的增加不像真正的汽車(chē)一樣逐檔升降來(lái)達(dá)到緩起緩落，而是開(kāi)始后便增加驅(qū)動(dòng)力，這使其在行駛過(guò)程中實(shí)際上只有兩個(gè)對(duì)角的輪子有摩擦力，會(huì)產(chǎn)生輕微打滑，車(chē)身自然向慣性的方向滑動(dòng)。所以本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要對(duì)車(chē)的行走路線(xiàn)進(jìn)行宏觀調(diào)控，不需要達(dá)到非常精確，但是要在大致位置上保持直線(xiàn)行走，為此設(shè)計(jì)了以下方案：采用同步輪和同步帶搭配實(shí)現(xiàn)方向調(diào)控作用。驅(qū)動(dòng)輪和輔助輪均使用同步輪，然后將同步帶固定在平板上。測(cè)量過(guò)程中，同步輪沿著同步帶行進(jìn)，采集部分沒(méi)有輪子搭鉤在同步帶上，直接與平板接觸采集。這種方法應(yīng)用簡(jiǎn)便，并且不會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而采集部分的測(cè)量軸也可以直接與平板接觸。圖1為所選兩種同步輪的結(jié)構(gòu)圖。

圖1　同步輪尺寸圖

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

大型平直類(lèi)量具在線(xiàn)自動(dòng)化檢定裝置整體分成兩部分，這樣的設(shè)計(jì)避免了驅(qū)動(dòng)輪與輔助輪的四只角不平導(dǎo)致的測(cè)量軸被翹起，無(wú)法貼合被測(cè)量面。但是兩個(gè)部分之間也需要進(jìn)行連接，并且采集部分連接在驅(qū)動(dòng)部分的時(shí)候，要限制采集部分左右方向的自由度，防止其在測(cè)量過(guò)程中左右擺動(dòng)。如圖2所示，采用了左右兩側(cè)兩個(gè)連接條與采集部分中心連接。通過(guò)固定，避免其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因左右擺動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。同時(shí)，保證了連接條可以上下運(yùn)動(dòng)。

圖2　連接條示意圖

3　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊主要應(yīng)用了由Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si4432 芯片［1，2］。這款芯片集成度很高，在使用過(guò)程中能耗低，并且具有多頻段。Si4432主要包括一個(gè)30 MHz的晶振、電容和電感，具有性?xún)r(jià)比高的特性。Si4432最小濾波帶可達(dá)8 Hz，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，頻道的選擇范圍很廣。在大型量具檢測(cè)過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊必須具有較長(zhǎng)的收發(fā)距離。本芯片最大收發(fā)距離可達(dá)到10 m以上，符合要求。

上述選用的無(wú)線(xiàn)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(fù)電壓來(lái)呈現(xiàn)的，而單片機(jī)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(jī)只能識(shí)別TTL電平。由于單片機(jī)的TTL邏輯電平和計(jì)算機(jī)的RS-232不同，所以電平轉(zhuǎn)換可以保證RXD和TXD交叉連接正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)樾枰c計(jì)算機(jī)COM接口相連，需要在TTL和RS-232的電路間變換電平的邏輯關(guān)系，將表示為1的TTL高電平轉(zhuǎn)換成RS-232的負(fù)電壓信號(hào)，將表示為0的低電平轉(zhuǎn)換成RS-232的正電壓信號(hào)。

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

經(jīng)過(guò)分析，使用USB1.1協(xié)議即可滿(mǎn)足通信數(shù)據(jù)量的要求，因此利用串口URAT轉(zhuǎn)USB，比如PL2303，就可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中需要的串口通信，這樣可以統(tǒng)一對(duì)串口RS232進(jìn)行操作。而上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也是對(duì)串口操作，使整個(gè)USB通信接口變得可靠而簡(jiǎn)易。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及不確定度評(píng)定

用本文設(shè)計(jì)的大型平直類(lèi)量具在線(xiàn)自動(dòng)化檢定裝置對(duì)平板進(jìn)行平面度檢測(cè)（米字線(xiàn)法），檢測(cè)過(guò)程中的工作環(huán)境為：室內(nèi)溫度為恒溫19.96 ℃，濕度為41.6%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于同一平板需對(duì)其進(jìn)行10次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，每組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行平面度分析，然后進(jìn)行綜合計(jì)算評(píng)估。以下是針對(duì)0級(jí)規(guī)格為2 000 ×1 000 mm2的平板進(jìn)行檢測(cè)后的10組數(shù)據(jù)。由于跨距為200 mm，因此在測(cè)量過(guò)程中單次實(shí)驗(yàn)就需要采集（10×15）個(gè)數(shù)值。受篇幅的限制，本文中對(duì)每組數(shù)據(jù)只抽選對(duì)角線(xiàn)寫(xiě)入表中，如表1所示。

本文中實(shí)驗(yàn)采用的0級(jí)平板為已校準(zhǔn)平板，該平板校準(zhǔn)報(bào)告中對(duì)本文中實(shí)驗(yàn)所測(cè)測(cè)量面的校準(zhǔn)值為5.6 μm。

4.1依據(jù)與條件

測(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：示值誤差為0.3''的光電自準(zhǔn)直儀；

被測(cè)對(duì)象：尺寸應(yīng)該大于或等于1 000 mm× 1 000 mm的0級(jí)平板平面度。

4.2數(shù)學(xué)模型

式中：δij— 第ij點(diǎn)對(duì)理想平面的偏差（μm）；— 第i 條測(cè)量截面上第j點(diǎn)對(duì)該截面兩端點(diǎn)連線(xiàn)的偏差（μm）；— 第i條測(cè)量截面上起始點(diǎn)對(duì)理想平面的偏差（μm）；— 第i 條橫向測(cè)量截面上第n點(diǎn)（終止端點(diǎn)）對(duì)理想截面的偏差（μm）；— 某一被檢截面上被檢點(diǎn)的終止端點(diǎn)序號(hào)

4.3輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

4.3.1輸入量ai的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ai）

輸入量ai的不確定度主要是由以下3個(gè)分量引起的。光電自準(zhǔn)直儀的示值誤差影響的不確定度分量u1（ai）；測(cè)量重復(fù)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(zhǔn)直儀的示值誤差影響的不確定度分量u1（ai）

光電自準(zhǔn)直儀示值最大允許誤差為0.3''，可認(rèn)為在±0.3''內(nèi)的范圍內(nèi)符合均勻分布，所以有

4.3.1.2測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度u2（ai）

輸入量ai的不確定度來(lái)源主要是測(cè)量值的重復(fù)性，可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量列，采用A類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。首先根據(jù)測(cè)量截面長(zhǎng)度確定分段測(cè)量跨距為250 mm，對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)在同等重復(fù)性測(cè)量條件下，連續(xù)測(cè)量10次。

表1　平板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位（＂）

實(shí)際測(cè)量情況，在重復(fù)性條件下連續(xù)測(cè)量2次，以該2次測(cè)量算術(shù)平均值為測(cè)量結(jié)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(shí)驗(yàn)分析，機(jī)械小車(chē)行進(jìn)帶動(dòng)橋板跨距對(duì)數(shù)值影響系數(shù)為0.5，以測(cè)量時(shí)最大的橋板跨距500 mm計(jì)算。

4.3.1.4輸入量ai的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ai）的計(jì)算

將光電自準(zhǔn)直儀的示值誤差引起的不確定度分量u1（ai）、測(cè)量重復(fù)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(jìn)行合成。所以，輸入量 ai的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ai）為

4.3.2.1靈敏系數(shù)

數(shù)學(xué)模型：

靈敏系數(shù)的計(jì)算：

4.3.2.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Δm）的計(jì)算

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

4.5擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取 k = 2，所以擴(kuò)展不確定度U為

4.5.1當(dāng)平板尺寸小于等于1 000 mm時(shí)，取n = 4。如平板尺寸為1 000 mm，L = 340 mm時(shí)，平板平面度測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為

4.5.2當(dāng)平板長(zhǎng)邊尺寸在小于等于2 000 mm 時(shí)，取n = 6。如當(dāng)平板尺寸為2 000 mm×1 500 mm，L = 410 mm時(shí)，平板平面度測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為

4.5.2當(dāng)平板長(zhǎng)邊尺寸在小于等于4 000 mm 時(shí)，取n = 8。如當(dāng)平板尺寸為4 000 mm×3 000 mm，L = 600 mm時(shí)（實(shí)際測(cè)量時(shí)使用跨距如果超過(guò)500 mm，則使用分段取平均值作為測(cè)量結(jié)果），平板平面度測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為

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

5　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文所介紹的裝置可大幅度縮小平直類(lèi)量具測(cè)量的定位誤差，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，滿(mǎn)足JJG 117-2013的技術(shù)要求。光電自準(zhǔn)直儀的光路最遠(yuǎn)距離可達(dá)10 m，因此理論上該裝置可檢測(cè)的平直類(lèi)量具邊長(zhǎng)也可達(dá)8 m。隨著邊長(zhǎng)的增加，自準(zhǔn)直儀的光路對(duì)直工作的難度也會(huì)增加，因此需要對(duì)使用人員進(jìn)行光電自準(zhǔn)直儀的使用培訓(xùn)。

［1］ 郭亮.基于Si4432的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，2009，11：38-41.

［2］ 許剛.基于C8051和Si4432無(wú)線(xiàn)收發(fā)透明模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（23）：94-96.

［3］ 李曉麗.單片機(jī)與上位機(jī)串行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2010，7：45-47.

［4］ 文治洪，胡文東，李曉京，等.基于PL2303的USB接口設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)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(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013-08）