嚴(yán)雅君 陳 剛 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

新型平尺直線度自動(dòng)測(cè)量的方法

嚴(yán)雅君 陳 剛 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

比較橋板法測(cè)量平尺直線度誤差的方法和一種新型的自動(dòng)測(cè)量方法，指出了橋板法測(cè)量的缺點(diǎn)，分析了自動(dòng)測(cè)量的檢測(cè)準(zhǔn)確度高和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，并通過實(shí)例來比較兩種測(cè)量方法的準(zhǔn)確度，為平尺直線度誤差測(cè)量提供了一種創(chuàng)新思路。

平尺；測(cè)量；橋板；直線度誤差

0 引言

平尺是工作面為平面、用于測(cè)量工件表面直線度和平面度的量具。平尺準(zhǔn)確度等級(jí)分為00級(jí)、0級(jí)、1級(jí)和2級(jí)。平尺一般由優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造，也有選用花崗石或軸承鋼制造。平尺作為確定直線基準(zhǔn)的計(jì)量器具，其測(cè)量面的直線度誤差是衡量平尺準(zhǔn)確度的主要指標(biāo)。平尺的直線度誤差測(cè)量結(jié)果不僅關(guān)系到其自身的準(zhǔn)確度等級(jí)，更會(huì)對(duì)被測(cè)工件的測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生重大影響，因此如何確保平尺的直線度誤差測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠成為一個(gè)重要的課題。

1 橋板法測(cè)量平尺直線度

根據(jù)JJF 1097-2003《平尺校準(zhǔn)規(guī)范》的技術(shù)要求，對(duì)平尺直線度的測(cè)量采用橋板測(cè)量法，該方法測(cè)量橋板兩個(gè)支撐點(diǎn)的相對(duì)傾斜角度，然后用各支撐點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)得到其直線度。

測(cè)量方法是將被測(cè)平尺（橋型平尺除外）用等高塊支承在距平尺兩端2/9L（L為平尺長(zhǎng)度）處，根據(jù)平尺長(zhǎng)度選擇適當(dāng)橋板，一般不少于8～10個(gè)測(cè)量位置，跨距50 ～ 500 mm。把電子水平儀固定在橋板上，將橋板按照設(shè)定的跨距前后相接從平尺工作面的一端移動(dòng)至另一端，每移動(dòng)一個(gè)跨距就從電子水平儀上讀取儀器數(shù)據(jù)。然后按照直線度評(píng)定方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到平尺直線度測(cè)量結(jié)果，測(cè)量過程如圖1所示。

橋板法測(cè)量由于橋板跨距可調(diào)，不受被測(cè)平板尺寸限制，因此在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)用較廣。但是該測(cè)量方法也存在兩個(gè)缺點(diǎn)。

圖1 平尺直線度橋板法測(cè)量過程

（1）橋板移動(dòng)方式為手工移動(dòng)，無法真正沿直線移動(dòng)及實(shí)現(xiàn)兩次橋板位置的首尾相接，存在較大的測(cè)量誤差。

（2）測(cè)量過程耗時(shí)較長(zhǎng)，且無法實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量結(jié)果，滯后時(shí)間長(zhǎng)。

采取一種平尺工作面直線度自動(dòng)測(cè)量的方法，就能得到更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，確保平尺直線度測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小量值傳遞過程中產(chǎn)生的測(cè)量誤差。特別是可對(duì)各種超長(zhǎng)機(jī)床導(dǎo)軌及其他非標(biāo)設(shè)備進(jìn)行直線度測(cè)量，解決平尺及大尺寸機(jī)床導(dǎo)軌的直線度測(cè)量技術(shù)能力。

2 平尺直線度自動(dòng)測(cè)量方法

采用自動(dòng)測(cè)量裝置對(duì)平尺工作面直線度進(jìn)行測(cè)量，能改變傳統(tǒng)的直線度手工測(cè)量的既定思路，消除測(cè)量過程中引入的定位誤差，對(duì)各個(gè)測(cè)量位置實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位及自動(dòng)控制。

該方法采用光電自準(zhǔn)直儀測(cè)量法取代電子水平儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)自準(zhǔn)直儀安裝于三腳架上，三腳架固定支撐在地面，調(diào)整光電自準(zhǔn)直儀的光束方向與平尺測(cè)量面平行，由于一般工廠車間通常具備地面防震結(jié)構(gòu)，不會(huì)因震動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。用自動(dòng)輕質(zhì)小車取代橋板，小車底部用兩個(gè)相同尺寸圓柱棒與平尺測(cè)量面相接觸，保持小車與平尺測(cè)量面之間平移接觸，兩圓柱棒保持平行，兩者間距離即為跨距。小車外側(cè)有四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與平尺側(cè)向非工作面接觸，安裝步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪速度設(shè)計(jì)為50 mm/s，保持小車與平尺工作面的緊密接觸及小車沿平尺移動(dòng)的平穩(wěn)性（如圖2所示）。根據(jù)平尺工作面尺寸制作固定跨距為80 mm、100 mm、300 mm等多種規(guī)格的小車，在小車上安裝無線發(fā)射模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電路等，確保小車無線運(yùn)行。

圖2 小車與平尺接觸方式

測(cè)量時(shí)，首先根據(jù)平尺尺寸選擇合適的跨距小車，并在小車上固定反射鏡；其次在計(jì)算軟件中輸入平尺參數(shù)，小車接收到計(jì)算機(jī)發(fā)出的測(cè)量指令后，按跨距尺寸平移；然后小車自動(dòng)運(yùn)行和定位，自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光束射向反射鏡并返回鏡頭，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)小車自動(dòng)停下，數(shù)據(jù)傳輸采用無線模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和采集，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量過程；最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入直線度測(cè)量軟件進(jìn)行評(píng)定，獲得直線度誤差結(jié)果后按校準(zhǔn)規(guī)范中的準(zhǔn)確度要求對(duì)平尺定級(jí)。整個(gè)測(cè)量過程不需進(jìn)行任何人工操作，如圖3所示。

圖3 平尺直線度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

此法需用光電自準(zhǔn)直儀，光電自準(zhǔn)直儀代替電子水平儀測(cè)量直線度。光電自準(zhǔn)直儀是依據(jù)光學(xué)自準(zhǔn)直成像原理，通過LED發(fā)光元件和線陣CCD成像技術(shù)設(shè)計(jì)而成，由內(nèi)置的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)CCD信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，完成兩個(gè)維度的角度測(cè)量。通過光學(xué)成像系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)平面角度的變化，由光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)敏感光學(xué)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)供后續(xù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析與評(píng)估。

光電自準(zhǔn)直儀如圖4所示，其測(cè)量直線度（傾斜角度）的基本原理如圖5所示。光電自準(zhǔn)直儀的測(cè)量范圍約3 ～ 30 m，可以實(shí)現(xiàn)傾斜角度的準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)±0.5″。

圖4 光電自準(zhǔn)直儀

圖5 光電自準(zhǔn)直儀測(cè)量原理

3 平尺直線度誤差判定

用橋板法測(cè)量平尺直線度誤差時(shí)，對(duì)直線度誤差的評(píng)價(jià)方法主要有最小區(qū)域法、最小二乘法、兩端點(diǎn)連線法。實(shí)際應(yīng)用中，兩端點(diǎn)連線法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單但準(zhǔn)確度較低，使用價(jià)值不大。最小二乘法的評(píng)定方法如果由人工計(jì)算較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理較繁瑣，不便于生產(chǎn)。最小區(qū)域法準(zhǔn)確度最高，誤差值最小且具有唯一性。因此通常情況下，采用最小區(qū)域法來計(jì)算直線度。

最小區(qū)域法是按最小包容區(qū)域的寬度評(píng)定直線度誤差值，其判別的方法是：當(dāng)兩條平行直線包容誤差曲線，若誤差曲線上的高低點(diǎn)與上下包容線成相間的三點(diǎn)接觸時(shí)，滿足“低-高-低”或是“高-低-高”的相間準(zhǔn)則（如圖6所示），則此包容線構(gòu)成的包容區(qū)域?yàn)樽钚^(qū)域。

圖6 包容區(qū)域

現(xiàn)以測(cè)量1 000 mm的鑄鐵平尺為例，分別通過橋板法和自動(dòng)測(cè)量方法來校準(zhǔn)平尺直線度。

3.1 橋板法測(cè)量直線度誤差計(jì)算

使用JJF 1097-2003推薦的橋板法來測(cè)量平尺直線度。用分辨力為0.01 mm/m的電子水平儀校準(zhǔn)，橋板跨距L=100 mm，電子水平儀在平尺工作面各點(diǎn)讀數(shù)見表1。

表1 橋板法測(cè)量平尺直線度讀數(shù)

用最小區(qū)域法計(jì)算平尺直線度誤差，可以通過作圖和計(jì)算公式來實(shí)現(xiàn)。圖6中，x軸表示測(cè)量序號(hào)，y軸表示各測(cè)量位置相對(duì)起始點(diǎn)的讀數(shù)累積值，將讀數(shù)累積值在圖中標(biāo)出，連成一根誤差曲線，依相間準(zhǔn)則用兩根平行直線包容誤差曲線，形成圖7中“低-高-低”的三點(diǎn)接觸，構(gòu)成最小包容區(qū)域。

圖7中最高點(diǎn)和最低點(diǎn)已經(jīng)明確，那么運(yùn)用計(jì)算公式可以直接計(jì)算出符合最小區(qū)域法的直線度誤差值。

圖7 作圖判斷最小包容區(qū)域

設(shè)a、b、c分別為測(cè)量序號(hào)；而ya、yb、yc則分別為序號(hào)a、b、c的讀數(shù)相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)的坐標(biāo)值，且a、c為高（低）點(diǎn)，b為低（高）點(diǎn)，符合最小區(qū)域的直線度誤差值f（單位：字）的計(jì)算公式為

依此計(jì)算，f= 11.5字。

當(dāng)用電子水平儀測(cè)量平尺直線度時(shí)，平尺工作面直線度誤差F（單位：μm）計(jì)算公式：

式中：C— 電子水平儀分辨力，mm/m；

L— 橋板跨距，mm；

f— 符合最小條件的平尺直線度，字

本例的平尺工作面直線度為

F=CLf= 0.01×100×11.5 = 11.5（μm）

從最小區(qū)域法作圖計(jì)算平尺直線度誤差的過程可見，需要花費(fèi)較多的人工計(jì)算，且最小區(qū)域的判定較復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)、測(cè)量過程中還不是最方便。

3.2 自動(dòng)法測(cè)量直線度誤差計(jì)算

光電自準(zhǔn)直儀所帶的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，可以根據(jù)采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算直線度，得出準(zhǔn)確的直線度誤差。過程由軟件計(jì)算，提高了數(shù)據(jù)處理速度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量準(zhǔn)確度更高的要求。具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、系統(tǒng)精確計(jì)算、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，為生產(chǎn)者和檢驗(yàn)者提供了便捷的方法。

測(cè)量上述的1 000 mm鑄鐵平尺，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)采集10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出平尺直線度誤差為10.6 μm?？梢姕y(cè)量準(zhǔn)確度比最小區(qū)域法作圖計(jì)算得出的誤差值小。根據(jù)JJF 1097-2003判斷，定為1級(jí)。

4 結(jié)語

平尺作為直線度測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)機(jī)械制造行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，因此必須確保其自身直線度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。本文闡述的方法嚴(yán)格遵循了校準(zhǔn)規(guī)范中的測(cè)量原理，并從根本上解決了平尺直線度測(cè)量過程中因手動(dòng)測(cè)量引入的誤差，利用自動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確度高和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的優(yōu)勢(shì)，大大提高了檢測(cè)準(zhǔn)確度和工作效率。此外還能推廣應(yīng)用到大尺寸平板平面度測(cè)量和角尺測(cè)量，具有較高的實(shí)用性和創(chuàng)新性，以及廣泛的市場(chǎng)前景及可預(yù)見的經(jīng)濟(jì)效益。

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Method of automatic measurement for straightness error of the edges

Yan Yajun，Chen Gang
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research）

Two methods of measuring the straight edges are compared. The disadvantage of the bridge frame method is indicated. Through example calculation to comparing two methods of measuring precision, detection precision and data-acquiring by computer are analyzed as the advantages of the new measuring method.

straight edges; measure; bridge frame; straightness error