大型平直类量具在线自动化检定装置*

陈 浩　马浩慧　谢 燮/ .上海市计量测试技术研究院；.上海大学机电工程与自动化学院

大型平直类量具在线自动化检定装置*

陈 浩1马浩慧1谢 燮2/ 1.上海市计量测试技术研究院；2.上海大学机电工程与自动化学院

介绍了一种以光电自准直仪和自行设计的机械驱动小车及数据自动采集系统组成的大型平直类量具在线自动化检定装置。这套装置可以实现该类平面度测量数据采集过程自动化。通过实验比对验证了该装置的可靠性，并且评定了测量结果的不确定度。该检定装置完全满足最新的《平板》检定规程对计量标准器具的要求。

平板；在线；自动化检定

0　引言

大型平直类量具是一种具有精确平面的尺形量规，一般用于以着色法、指示表法检验平板、长导轨等的平面度，也常用光隙法检验工件棱边的直线度。对于大型平直类量具的检定，从理论上说只要肯花时间和精力，用电子水平仪和桥板人工一段段检测也是能够完成的，但是极低的工作效率是其最大的缺点，很有可能在一整天检测之后发现最终的测量结果可靠程度不高。本项目就是要解决此类大型量具的平面度检测难题。采用新型光电自准直仪，利用光学自准原理将角度测量转换为线性测量，并且用光电瞄准对线替代了人工瞄准线，消除了人工误差，实现全程数据自动化采集。

1　目的

本项目主要针对大型平直类量具的平面度检测，最终要研制一个典型的机电一体化设备，并建立可扩展的完备测量系统平台。该检定装置的功能包括：（1）完成自动采集设备运动控制和无线收发功能；（2）实现精确的位置判断和不同跨距的大小调节功能；（3）可实现测量过程中数据自动保存的功能。

2　结构设计

根据平板测量环境和测量方法，大型平直类量具在线自动化检定装置主要由驱动部分和采集部分组成。驱动部分分为驱动装置和定向装置。驱动装置主要靠步进电机对机械小车进行控制，采用两个并联的步进电机，放在采集仪的同一侧，在外壳上装有轴承，电机通过与轴承连接穿出壳体，与驱动轮连接；定向装置主要采用导轨形式。为了方便使用，本设计中主要使用同步带搭配同步轮完成。采集部分分为调节装置和测量装置。调节装置主要通过铝合金材质的长导轨实现，通过对不同长度的长导轨进行更换，和长导轨上不同固定位置的更换实现跨距的变动；测量装置主要使用测量轴。测量轴安装在采集部分的底面，使其与平板被测面贴合。由于整个平直类量具检定装置自重较大，不需要配重即可以满足测量轴与被测面牢固贴合的问题。连接部分主要是采用两个万向连接块，分别与测量部分和驱动部分X轴两侧连接，并限制连接块只有上下一个自由度，因此保证自动采集仪在运动采集过程中，后侧采集部分不会由于驱动部分的上下偏移而脱离被测面。

平板表面检测属于大平面检测。测量过程中，大型平直类量具在线自动化检定装置的机械小车（即驱动部分）不一定会沿着初始行驶轨迹行驶下去。由于机械小车的四个轮子是独立的，可调性小或根本不可调，在小车行走的过程中导致四个轮子左右高低不平，因此四只轮子的接地点不在一个水平面上。而步进电机马力的增加不像真正的汽车一样逐档升降来达到缓起缓落，而是开始后便增加驱动力，这使其在行驶过程中实际上只有两个对角的轮子有摩擦力，会产生轻微打滑，车身自然向惯性的方向滑动。所以本项目在设计过程中，必须要对车的行走路线进行宏观调控，不需要达到非常精确，但是要在大致位置上保持直线行走，为此设计了以下方案：采用同步轮和同步带搭配实现方向调控作用。驱动轮和辅助轮均使用同步轮，然后将同步带固定在平板上。测量过程中，同步轮沿着同步带行进，采集部分没有轮子搭钩在同步带上，直接与平板接触采集。这种方法应用简便，并且不会出现卡死现象，而采集部分的测量轴也可以直接与平板接触。图1为所选两种同步轮的结构图。

图1　同步轮尺寸图

由于被测平板的大小不确定，因此在测量过程中需要对该装置采集部分的跨距进行更改，这就要求采集部分可以伸缩以满足不同大小平板的测量需求。该检定装置的采集部分由两块长铝合金型材通过长导轨和铝合金中的插槽连接实现。铝合金型材下部装有两根测量轴，长导轨上均布螺纹孔，通过螺纹连接调整两块铝型材的间距，从而实现跨距的改变。为使测量轴保持紧密贴合测量面的要求，在长导轨打孔后，对其进行了退火处理，使其降低硬度，消除残余应力，以稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向。

大型平直类量具在线自动化检定装置整体分成两部分，这样的设计避免了驱动轮与辅助轮的四只角不平导致的测量轴被翘起，无法贴合被测量面。但是两个部分之间也需要进行连接，并且采集部分连接在驱动部分的时候，要限制采集部分左右方向的自由度，防止其在测量过程中左右摆动。如图2所示，采用了左右两侧两个连接条与采集部分中心连接。通过固定，避免其在运动过程中因左右摆动对测量结果造成影响。同时，保证了连接条可以上下运动。

图2　连接条示意图

3　控制系统的设计

本文的无线收发模块主要应用了由Silicon Labs公司生产的Si4432 芯片［1，2］。这款芯片集成度很高，在使用过程中能耗低，并且具有多频段。Si4432主要包括一个30 MHz的晶振、电容和电感，具有性价比高的特性。Si4432最小滤波带可达8 Hz，体积小，抗干扰能力强，频道的选择范围很广。在大型量具检测过程中，无线收发模块必须具有较长的收发距离。本芯片最大收发距离可达到10 m以上，符合要求。

上述选用的无线收发模块输出为RS-232电平。RS-232的逻辑状态是依靠正、负电压来呈现的，而单片机高、低电平的主要逻辑状态表示方式是TTL电平［3］。RS-232的逻辑0电平规定为+3 ～ +15 V之间，逻辑1电平为-3 ～ -15 V之间，而单片机只能识别TTL电平。由于单片机的TTL逻辑电平和计算机的RS-232不同，所以电平转换可以保证RXD和TXD交叉连接正常运转。因为需要与计算机COM接口相连，需要在TTL和RS-232的电路间变换电平的逻辑关系，将表示为1的TTL高电平转换成RS-232的负电压信号，将表示为0的低电平转换成RS-232的正电压信号。

本项目中的串口转换模块主要应用了PL2303，它是RS232 电平的双工异步串行装置。PL2303包含了一个USB控制器、一个USB 收发器以及振荡器和有全部调制解调器的UART。为了实现USB到RS232的转换，使用时仅需要外界电容即可。PL2303是一种USB/RS232 双向转换器［4］，主机通过USB接受数据后将它转成RS232格式并发射，RS232连接装置接受到数据并将它转换为USB数据后发送给主机。在数据发送过程中，可以即插即用，使整个过程自动完成，而且能耗低、方便简洁、便于使用。

经过分析，使用USB1.1协议即可满足通信数据量的要求，因此利用串口URAT转USB，比如PL2303，就可以实现本设计中需要的串口通信，这样可以统一对串口RS232进行操作。而上位机数据处理系统也是对串口操作，使整个USB通信接口变得可靠而简易。

4　实验结果及不确定度评定

用本文设计的大型平直类量具在线自动化检定装置对平板进行平面度检测（米字线法），检测过程中的工作环境为：室内温度为恒温19.96 ℃，湿度为41.6%。实验过程中，对于同一平板需对其进行10次重复性实验，每组数据分别进行平面度分析，然后进行综合计算评估。以下是针对0级规格为2 000 ×1 000 mm2的平板进行检测后的10组数据。由于跨距为200 mm，因此在测量过程中单次实验就需要采集（10×15）个数值。受篇幅的限制，本文中对每组数据只抽选对角线写入表中，如表1所示。

本文中实验采用的0级平板为已校准平板，该平板校准报告中对本文中实验所测测量面的校准值为5.6 μm。

4.1依据与条件

测量方法：依据JJG 117-2013《平板》检定规程；

环境条件：温度：（20±3）℃；

测量标准：示值误差为0.3''的光电自准直仪；

被测对象：尺寸应该大于或等于1 000 mm× 1 000 mm的0级平板平面度。

4.2数学模型

式中：δij— 第ij点对理想平面的偏差（μm）；— 第i 条测量截面上第j点对该截面两端点连线的偏差（μm）；— 第i条测量截面上起始点对理想平面的偏差（μm）；— 第i 条横向测量截面上第n点（终止端点）对理想截面的偏差（μm）；— 某一被检截面上被检点的终止端点序号

4.3输入量的标准不确定度评定

4.3.1输入量ai的标准不确定度u（ai）

输入量ai的不确定度主要是由以下3个分量引起的。光电自准直仪的示值误差影响的不确定度分量u1（ai）；测量重复性引起的不确定度u2（ai）；桥板定位误差引起的不确定度分量u3（ai）。

4.3.1.1光电自准直仪的示值误差影响的不确定度分量u1（ai）

光电自准直仪示值最大允许误差为0.3''，可认为在±0.3''内的范围内符合均匀分布，所以有

4.3.1.2测量重复性引起的不确定度u2（ai）

输入量ai的不确定度来源主要是测量值的重复性，可以通过连续测量得到测量列，采用A类评定方法进行评定。首先根据测量截面长度确定分段测量跨距为250 mm，对同一测量点在同等重复性测量条件下，连续测量10次。

表1　平板实验数据 单位（＂）

实际测量情况，在重复性条件下连续测量2次，以该2次测量算术平均值为测量结果，则可得到：

4.3.1.3桥板定位误差引起的不确定度u3（ai）

经实验分析，机械小车行进带动桥板跨距对数值影响系数为0.5，以测量时最大的桥板跨距500 mm计算。

4.3.1.4输入量ai的标准不确定度u（ai）的计算

将光电自准直仪的示值误差引起的不确定度分量u1（ai）、测量重复性引起的不确定度u2（ai）和桥板定位误差引起的不确定度u3（ai）进行合成。所以，输入量 ai的标准不确定度u（ai）为

4.3.2.1灵敏系数

数学模型：

灵敏系数的计算：

4.3.2.2标准不确定度u（Δm）的计算

为求得u（Δm）的极大值，可对上式中 m求偏导得出当m = n/2时，有极大值：

4.5扩展不确定度的评定

取 k = 2，所以扩展不确定度U为

4.5.1当平板尺寸小于等于1 000 mm时，取n = 4。如平板尺寸为1 000 mm，L = 340 mm时，平板平面度测量结果扩展不确定度为

4.5.2当平板长边尺寸在小于等于2 000 mm 时，取n = 6。如当平板尺寸为2 000 mm×1 500 mm，L = 410 mm时，平板平面度测量结果扩展不确定度为

4.5.2当平板长边尺寸在小于等于4 000 mm 时，取n = 8。如当平板尺寸为4 000 mm×3 000 mm，L = 600 mm时（实际测量时使用跨距如果超过500 mm，则使用分段取平均值作为测量结果），平板平面度测量结果扩展不确定度为

不确定度评定后所得的结果和JJG 117-2013中相关尺寸的平板平面度允差相比较应小于1/3，因此该不确定度是合理的。

5　结语

综上所述，本文所介绍的装置可大幅度缩小平直类量具测量的定位误差，提高了测量准确度，满足JJG 117-2013的技术要求。光电自准直仪的光路最远距离可达10 m，因此理论上该装置可检测的平直类量具边长也可达8 m。随着边长的增加，自准直仪的光路对直工作的难度也会增加，因此需要对使用人员进行光电自准直仪的使用培训。

［1］ 郭亮.基于Si4432的无线射频收发系统设计［J］.单片机与嵌入式系统设计，2009，11：38-41.

［2］ 许刚.基于C8051和Si4432无线收发透明模块设计与实现［J］.现代电子技术，2012，35（23）：94-96.

［3］ 李晓丽.单片机与上位机串行通信系统设计［J］.仪表技术，2010，7：45-47.

［4］ 文治洪，胡文东，李晓京，等.基于PL2303的USB接口设计［J］.电子设计工程，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

上海市质量技术监督局科技计划项目（2013-08）