蔡麗枝 / 福建省計(jì)量科學(xué)研究院

光照度計(jì)的自動(dòng)檢定系統(tǒng)

蔡麗枝 / 福建省計(jì)量科學(xué)研究院

根據(jù)JJG 245-2005的要求，設(shè)計(jì)一條自動(dòng)光學(xué)軌道和一套可同時(shí)安裝多臺(tái)被檢光照度計(jì)的自動(dòng)工作轉(zhuǎn)臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)燈自動(dòng)位移到各個(gè)照度值對(duì)應(yīng)的位置上，使光照度計(jì)接收到多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光照度值，并由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光照度計(jì)檢定過(guò)程的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能，提高了檢定效率。

光照度計(jì)；自動(dòng)檢定； 自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；運(yùn)動(dòng)控制器

0 引言

近年來(lái)，由于環(huán)境檢測(cè)要求的提高，光照度計(jì)大量地用來(lái)測(cè)量環(huán)境的照明情況，比如公共場(chǎng)所的室內(nèi)照明和學(xué)校教室的照明等。隨著光照度計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增加，對(duì)光照度計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量控制要求也越來(lái)越高，因此光照度計(jì)送檢數(shù)量也越來(lái)越多。

光照度計(jì)檢定裝置通常采用手工操作，在檢定過(guò)程中，需要兩名檢定員進(jìn)行操作配合。先把發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈和被檢光照度計(jì)放在光學(xué)軌道上進(jìn)行調(diào)整定位，然后一人推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)燈在光學(xué)軌道上移動(dòng)，改變標(biāo)準(zhǔn)燈到被檢光照度計(jì)探頭之間的距離，使被檢光照度計(jì)測(cè)得不同的光照度值。另一人在探測(cè)器位置上讀取被檢光照度計(jì)的測(cè)量示值[1]，并人工記錄及處理數(shù)據(jù)，整個(gè)檢定過(guò)程耗時(shí)近1 h，檢定效率低。另外，由于發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈使用壽命的限制，如果在檢定周期內(nèi)其累計(jì)點(diǎn)燃的時(shí)間超過(guò)60 h，就應(yīng)該送檢觀察標(biāo)準(zhǔn)燈的發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定性[2]，因此應(yīng)盡量減少標(biāo)準(zhǔn)燈點(diǎn)燃的時(shí)間，提高標(biāo)準(zhǔn)燈點(diǎn)燃時(shí)間的利用率。為了提高光照度計(jì)的檢定效率和標(biāo)準(zhǔn)燈的點(diǎn)燃時(shí)間利用率，設(shè)計(jì)一套光照度計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光照度計(jì)檢定過(guò)程的自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)JJG 245-2005《光照度計(jì)》的要求，設(shè)計(jì)一條自動(dòng)光學(xué)軌道和一套可同時(shí)安裝多臺(tái)被檢光照度計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制技術(shù)，自動(dòng)回轉(zhuǎn)被檢光照度計(jì)工作臺(tái)，自動(dòng)位移標(biāo)準(zhǔn)燈到多個(gè)照明距離位置，實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢定多臺(tái)光照度計(jì)的自動(dòng)檢定。

光照度計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)主要由自動(dòng)光學(xué)軌道和自動(dòng)工作轉(zhuǎn)臺(tái)組成，主要部件包括直線導(dǎo)軌[3]、絲杠和絲杠傳動(dòng)螺母、絲杠和導(dǎo)軌支撐系統(tǒng)、磁柵尺、滑行小車(chē)、防撞控制開(kāi)關(guān)、多工位工作轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)升降及支撐系統(tǒng)、光照度計(jì)探頭夾具、燈絲和探測(cè)器定位調(diào)整裝置、伺服電機(jī)和減速器、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，自動(dòng)檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光照度計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路：當(dāng)伺服電機(jī)控制自動(dòng)光學(xué)軌道上的標(biāo)準(zhǔn)燈移動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)燈在轉(zhuǎn)臺(tái)上裝夾好的光照度計(jì)探頭測(cè)試面上產(chǎn)生一定的照度值，伺服電機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的8個(gè)角度位置依次轉(zhuǎn)動(dòng)，裝夾在轉(zhuǎn)臺(tái)上的光照度計(jì)1到光照度計(jì)8依次測(cè)得光照度值，轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)；然后標(biāo)準(zhǔn)燈小車(chē)位移到下一位置，產(chǎn)生不同的光照度值，轉(zhuǎn)臺(tái)再依次轉(zhuǎn)動(dòng)；標(biāo)準(zhǔn)燈在自動(dòng)光學(xué)軌道可往返行走多個(gè)照明距離。系統(tǒng)可記錄每臺(tái)光照度計(jì)在每個(gè)位置往返兩輪的光照度測(cè)量值，以及標(biāo)準(zhǔn)燈滑車(chē)的位置，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成檢定記錄。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)和減速機(jī)、電子手輪及配套軟件組成。采用IMAC-400多軸多功能運(yùn)動(dòng)控制器作為主要的控制中心，完成計(jì)算機(jī)與終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即運(yùn)動(dòng)部件與驅(qū)動(dòng)器之間的通信，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)控制及信號(hào)采集[4]。運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能包括：控制4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、進(jìn)行磁柵尺傳感器信號(hào)采集和反饋控制、進(jìn)行限位開(kāi)關(guān)限位信號(hào)采集和限位防撞控制，以及電子手輪的調(diào)節(jié)控制?？刂葡到y(tǒng)如圖2所示。

圖1 光照度計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 自動(dòng)檢定系統(tǒng)的控制

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走的標(biāo)準(zhǔn)燈滑車(chē)和大光闌滑車(chē)，通過(guò)磁柵尺反饋的參數(shù)來(lái)精確調(diào)節(jié)行走的標(biāo)準(zhǔn)燈滑車(chē)實(shí)際運(yùn)行距離，大光闌滑車(chē)的位置通過(guò)電機(jī)編碼器信號(hào)反饋來(lái)進(jìn)行控制。標(biāo)準(zhǔn)燈滑車(chē)與大光闌滑車(chē)可同時(shí)聯(lián)動(dòng)，并設(shè)計(jì)有手動(dòng)控制桿對(duì)光闌滑車(chē)的位置進(jìn)行微調(diào)控制。在標(biāo)準(zhǔn)燈滑車(chē)運(yùn)動(dòng)到位后，光闌滑車(chē)還可由手動(dòng)操縱桿進(jìn)行位置微調(diào)，使得光闌對(duì)雜散光的屏蔽效果達(dá)到最佳狀態(tài)。光闌滑車(chē)和標(biāo)準(zhǔn)燈滑車(chē)之間，以及兩部滑車(chē)和軌道兩端之間采取防碰撞措施，使用限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行防撞控制。工作轉(zhuǎn)臺(tái)的高度調(diào)節(jié)和8個(gè)工作工位的旋轉(zhuǎn)與定位也使用伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。電子手輪的控制功能有：可選擇控制的部件是標(biāo)準(zhǔn)燈滑車(chē)、光闌滑車(chē)、工作轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)臺(tái)高度調(diào)節(jié)；具備運(yùn)動(dòng)速度控制功能，可選擇慢速、中速、快速。

IMAC-400運(yùn)動(dòng)控制器配置了專用的軟件PEWIN，可用來(lái)編寫(xiě)各類運(yùn)動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作[5]。采用VB開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)檢定軟件，檢定軟件能實(shí)現(xiàn)光照度計(jì)檢定過(guò)程的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理功能，并生成符合國(guó)家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可要求的原始記錄，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定，提高檢定效率。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試

在光照度計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的安裝調(diào)試過(guò)程中使用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行安裝調(diào)整和測(cè)試，確保自動(dòng)光學(xué)軌道的平直度；在系統(tǒng)安裝調(diào)試結(jié)束后，分別對(duì)軌道平直度、磁柵尺測(cè)量準(zhǔn)確度、滑車(chē)移動(dòng)定位準(zhǔn)確度和轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制定位準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明自動(dòng)檢定系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)都滿足光照度計(jì)檢定規(guī)程的技術(shù)要求。采用自動(dòng)檢定系統(tǒng)對(duì)各種型號(hào)的被檢對(duì)象進(jìn)行檢定，并把檢定結(jié)果與采用舊檢定裝置的檢定結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證自動(dòng)檢定系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

采用標(biāo)準(zhǔn)光照度計(jì)和一級(jí)光照度計(jì)作為被測(cè)對(duì)象，在自動(dòng)檢定系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與手動(dòng)檢定裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，分別見(jiàn)表1和表2所示。

由表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，兩套裝置對(duì)兩種類型光照度計(jì)的測(cè)量結(jié)果相對(duì)示值誤差差值均不大于0.2%，小于發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈不確定度（U=1.2%，k=2）的1/5，且差值中有正有負(fù)，隨機(jī)分布，沒(méi)有固定的方向，這說(shuō)明差值是由測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)誤差，而不是測(cè)量系統(tǒng)存在的固定誤差引起的，也說(shuō)明了自動(dòng)檢定系統(tǒng)與原來(lái)的手動(dòng)檢定裝置具有同樣的測(cè)量準(zhǔn)確度，兩套檢定裝置對(duì)被檢光照度計(jì)的檢定結(jié)果具有一致性。

表1 標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)測(cè)量比較

表2 一級(jí)照度計(jì)測(cè)量比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了光照度計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用IMAC-400運(yùn)動(dòng)控制器完成整個(gè)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)光照度計(jì)的自動(dòng)檢定過(guò)程。經(jīng)測(cè)試，自動(dòng)檢定系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)都滿足了光照度計(jì)檢定規(guī)程的技術(shù)要求，采用自動(dòng)檢定系統(tǒng)對(duì)兩種型號(hào)的光照度計(jì)進(jìn)行檢定，并把檢定結(jié)果與采用手動(dòng)檢定裝置的檢定結(jié)果進(jìn)行比較，兩者的差值均不大于0.2%，說(shuō)明自動(dòng)檢定系統(tǒng)與原來(lái)的手動(dòng)檢定裝置具有同樣的測(cè)量準(zhǔn)確度。本設(shè)計(jì)光照度計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)可應(yīng)用于光照度計(jì)的檢定，能減輕檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈的點(diǎn)燃時(shí)間利用率。但該系統(tǒng)存在不足之處，比如發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲平面和被檢光照度計(jì)探頭測(cè)試面在光學(xué)軌道上起始位置的調(diào)整定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，仍然由人工目視進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)此仍需繼續(xù)進(jìn)行研究探索。

[1] 全國(guó)光學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJG 245-2005[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社, 2005.

[2] 全國(guó)光學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 246-2005[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社, 2005.

[3] 徐起賀，孫健利. 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能分析[J].機(jī)床與液壓，2002，03：107-109.

[4] 沈燦鋼，陳岳林，孫寧.基于PMAC和安川伺服電機(jī)的一維精密定位控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2005，09：4-5+16.

[5] 北京泰道控制系統(tǒng)設(shè)備有限公司.IMAC-400使用手冊(cè)[M].北京：北京泰道控制系統(tǒng)設(shè)備有限公司，2011.

Study on auto-testing system of illuminometer

Cai Lizhi
（Fujian Metrology Institute）

The purpose of this project is to develop a system for the automatic illuminometer testing according to the requirements of the JJG245-2005 Illuminometer verification. It should be a system with an automatic optic track and a set of rotary platform which can jacket many Illuminometer detectors. When the automatic optical track move the standard lamp to a certain position to provide the standard illumination values, The illuminometers receive the standard light values. The automatic platform will rotate controlled by the PC. This project realizes automatic verification of illumination and can handle the measurement datas automatically. It improves the efficiency of illuminometer veri fi cation..

illuminometer；auto-testing；automatic turntable；motion controller