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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.上海大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院

0 引言

數(shù)顯角度儀校準(zhǔn)裝置是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行角度測量時使用的主標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)到 0.000 1°。校準(zhǔn)工作參照的技術(shù)依據(jù)為JJF 1915-2021 數(shù)顯傾角儀校準(zhǔn)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(jī)械傾角測量機(jī)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(jī)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(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度的機(jī)械加工或測量中也可以作為角度的定位基準(zhǔn)。

本文介紹一種角度校準(zhǔn)裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)多種被校儀器的校準(zhǔn)功能。其采用高精度的圓光柵角度編碼器，保證整個校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對不同被校儀器的通用性。該校準(zhǔn)方法具有操作簡單、校準(zhǔn)準(zhǔn)確度高、適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

1 校準(zhǔn)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

本校準(zhǔn)裝置主要是解決現(xiàn)有校準(zhǔn)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(zhǔn)多種被校儀器的自動化校準(zhǔn)方法。為了節(jié)省空間與成本，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，該校準(zhǔn)方法設(shè)置通用安裝定位孔，在進(jìn)行角度編碼器校準(zhǔn)時，可以正常工作；當(dāng)要實(shí)現(xiàn)多面棱體校準(zhǔn)時，可對角度編碼器組件進(jìn)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(shí)現(xiàn)不同的功能。

1.1 校準(zhǔn)裝置整體結(jié)構(gòu)

本校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)原理是利用高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)器件校準(zhǔn)檢定低準(zhǔn)確度器件。新型校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行角度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)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(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多功能校準(zhǔn)裝置機(jī)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(shí)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(jìn)行固定。保證在校準(zhǔn)時裝夾方便，調(diào)整快捷，對中性強(qiáng)，適應(yīng)各種尺寸類型的角度類儀器的裝夾等特點(diǎn)。

本校準(zhǔn)裝置采用了一種用于傾角儀校準(zhǔn)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(jī)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(jī)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(jī)，通過增加一個控制壓簧變形量的行程開關(guān)控制電機(jī)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?yàn)閮A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(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 夾具部件機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.3 角度編碼器組件

本校準(zhǔn)裝置含一種編碼器校準(zhǔn)裝置，包括：編碼器夾持機(jī)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(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)軸的一端用于和所述編碼器夾持機(jī)構(gòu)所夾持的被測角度編碼器的轉(zhuǎn)軸同軸連接；基準(zhǔn)角度編碼器則通過驅(qū)動軸與該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的另一端連接。角度編碼器機(jī)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(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過程的自動化。對于不同規(guī)格角度編碼器的校準(zhǔn)，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(jìn)電機(jī)、高精度編碼器同軸度，以達(dá)到減少誤差并且校準(zhǔn)不同規(guī)格角度編碼器的設(shè)計要求。

圖3 角度編碼器機(jī)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(zhǔn)裝置含一種多面棱體校準(zhǔn)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(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)軸的一端與膨脹芯軸同軸連接；基準(zhǔn)角度編碼器，通過驅(qū)動軸與上述步進(jìn)電機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)方法采用直接測量法，選用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，減速齒輪機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低后經(jīng)傳動裝置到達(dá)圓光柵編碼器，實(shí)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(jìn)行對比校準(zhǔn)；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(jìn)行對比校準(zhǔn)；多面棱體的校準(zhǔn)采用自準(zhǔn)直儀和高精度編碼器作為標(biāo)準(zhǔn)器，測量時使棱體的回轉(zhuǎn)中心與校準(zhǔn)裝置的回轉(zhuǎn)中心重合，同時調(diào)整自準(zhǔn)直儀的光軸垂直于校準(zhǔn)裝置的回轉(zhuǎn)軸線。以24面棱體為例，標(biāo)準(zhǔn)棱體將圓周分劃為24個角。將裝置測得的數(shù)據(jù)與自準(zhǔn)直儀的示值比較得到24個偏差。

2 自動校準(zhǔn)過程與控制

本校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)計算機(jī)端控制，傳動裝置由電機(jī)驅(qū)動，并通過攝像頭實(shí)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(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1 分度與驅(qū)動元件的選擇

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

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

根據(jù)校準(zhǔn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)的主要負(fù)載為支撐夾具部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。將夾具部分等效為一個實(shí)心長方體，根據(jù)公式計算轉(zhuǎn)動慣量

設(shè)定步進(jìn)電機(jī)加速運(yùn)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(fù)載情況，總力矩等于慣性力矩和負(fù)載力矩的總和。根據(jù)力矩對步進(jìn)電機(jī)選型，選用型號如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方向與高精度編碼器的光柵細(xì)分轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為步距角，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行，所以可通過控制脈沖數(shù)控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確的定位，而且可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動的機(jī)構(gòu)達(dá)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(jìn)電機(jī)進(jìn)行配合工作，步進(jìn)電機(jī)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(jī)通信

上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，是采用LabVIEW軟件對上位機(jī)進(jìn)行軟件編寫，應(yīng)用單片機(jī)對直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)控制下位機(jī)，并將角度編碼器與傾角儀的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)與計算機(jī)（上位機(jī)）的通信通過單片機(jī)串口與計算機(jī)的外擴(kuò)接口之間的連接來實(shí)現(xiàn)。通過LabVIEW軟件向單片機(jī)發(fā)送信號指令，單片機(jī)在接受指令以后，根據(jù)信號控制電機(jī)的驅(qū)動模塊，進(jìn)而控制驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)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(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了從手動校準(zhǔn)到自動化校準(zhǔn)，利用圓光柵編碼器高分辨力、高準(zhǔn)確度的特性，滿足高準(zhǔn)確度測量設(shè)備的校準(zhǔn)需求，減少了傾角儀、角度編碼器及多面棱體的校準(zhǔn)誤差，縮減了送檢時間和送檢成本。