全自動鋼卷尺檢定裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

高廷，孫安斌，鄒志，王曰明，梁邦遠(yuǎn)

（1.航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所大尺寸實(shí)驗室，北京100095；2.青島前哨精密儀器有限公司，山東青島266000）

0 引言

鋼卷尺是一種常見的線紋計量器具，在工程測量和日常生活中應(yīng)用非常廣泛。由于使用環(huán)境復(fù)雜及人為因素，使用過程中的鋼卷尺常常發(fā)生尺身變形、磨損等問題，會影響測量結(jié)果和產(chǎn)品質(zhì)量，因此需要定期對其進(jìn)行檢定，我國已將鋼卷尺納入強(qiáng)制檢定計量器具管理目錄［1］。

目前，鋼卷尺檢定裝置主要有基于標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺比較測量平臺、專用鋼卷尺檢定臺、大尺寸長度標(biāo)準(zhǔn)裝置三種形式。基于標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺比較測量平臺采用人工瞄準(zhǔn)、人工記錄數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺進(jìn)行直接比較計算示值誤差，該方法操作簡單，但是因為采用人眼瞄準(zhǔn)，分辨力約為0.1 mm，而且人眼在長期觀察后容易出現(xiàn)疲勞和錯誤［2］；專用鋼卷尺檢定臺，常見的是采用光柵尺作為測量標(biāo)準(zhǔn)器，結(jié)合顯微放大瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，可使測量不確定度達(dá)到0.01 mm/m，此裝置裝夾方便，但測量范圍有限，單次裝夾的典型長度為5 m［3-5］，測量100 m鋼卷尺需要多次人工重復(fù)裝卡；大尺寸長度標(biāo)準(zhǔn)裝置主要用于激光干涉儀、激光跟蹤儀等設(shè)備的空間長度校準(zhǔn)，在此功能上通過配置顯微放大瞄準(zhǔn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺、鋼卷尺的檢定，測量不確定度可提高到U=（5+5L）μm（k=2），其中，L為測量長度，單位m。目前，國內(nèi)最長的大尺寸長度標(biāo)準(zhǔn)裝置一次裝夾測量最大長度可達(dá)80 m［6］，但這種裝置占用場地較大，成本較高。

以上三種檢定裝置存在的共性問題是一次裝夾測量的實(shí)際長度由裝置的導(dǎo)軌工作距離決定。對于超過導(dǎo)軌長度的鋼卷尺需要采用分段測量法，而分段測量法需要多次人工裝夾、多次瞄準(zhǔn)，存在勞動強(qiáng)度加大、工作效率低、耗時較長等問題。以5 m檢定臺為例，30 m長的鋼卷尺需要進(jìn)行6次重復(fù)瞄準(zhǔn)測量。

隨著數(shù)字化、自動化計量檢測技術(shù)的發(fā)展，提高鋼卷尺檢定效率、實(shí)現(xiàn)全自動鋼卷尺檢測是計量檢測行業(yè)的迫切需求。為了滿足超長鋼卷尺檢定的需求，本文設(shè)計了一種全自動鋼卷尺檢定裝置，該裝置在有限導(dǎo)軌長度測量的基礎(chǔ)上，增加了自動加載、自動收卷、自動瞄準(zhǔn)等結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Σ煌?guī)格的鋼卷尺進(jìn)行全自動檢定。

1 全自動鋼卷尺檢定裝置的整體系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計需求

根據(jù)JJG 4-2015《鋼卷尺檢定規(guī)程》的規(guī)定，檢定時需將尺帶平鋪在鋼卷尺檢定臺上，檢定臺長度小于20 m時施加（49±0.5）N張緊力，示值誤差在全長范圍內(nèi)逐米進(jìn)行檢定［7］。為了在滿足檢定要求的同時提高設(shè)備的自動檢測能力，需要在有限測量長度的檢定裝置上增加自動加載、自動收卷系統(tǒng)。另外人眼瞄準(zhǔn)讀數(shù)會極大降低工作效率，因此還需要設(shè)計自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對鋼卷尺線紋進(jìn)行自動提取，減少檢測過程中人為的參與，提高測量準(zhǔn)確度和自動化程度。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

基于上述要求，設(shè)計了如圖1所示的全自動鋼卷尺檢定裝置。整套裝置主要由導(dǎo)軌系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、自動加載系統(tǒng)、自動收卷系統(tǒng)、視覺瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、鋼卷尺支撐機(jī)構(gòu)等組成。導(dǎo)軌系統(tǒng)由10 m精密花崗巖和氣浮滑臺組成。測量系統(tǒng)以高精度光柵尺作為標(biāo)準(zhǔn)器，通過伺服電機(jī)帶動滑臺在導(dǎo)軌上運(yùn)動，給出水平運(yùn)動方向的標(biāo)準(zhǔn)長度量。測量前由自動加載系統(tǒng)將安裝在支撐機(jī)構(gòu)上的鋼卷尺進(jìn)行裝卡、加載；測量時通過視覺瞄準(zhǔn)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)工作臺所在位置處的鋼卷尺整米線紋，得到在導(dǎo)軌長度范圍內(nèi)的整米線紋參考長度；測量完成后由自動收卷系統(tǒng)將測量完成的前一尺段進(jìn)行收卷，繼而執(zhí)行下一段測量；配合專用的測量控制軟件實(shí)現(xiàn)鋼卷尺的全尺寸自動測量。

圖1 全自動鋼卷尺檢定裝置組成示意圖

2 自動加載與自動收卷系統(tǒng)設(shè)計

自動收卷系統(tǒng)用于被檢鋼卷尺全長大于檢定臺的長度時將其尺帶拉出，采用首尾相接的分段法進(jìn)行檢定。自動施力系統(tǒng)用于向尺帶施加規(guī)定的張緊力。系統(tǒng)組成如圖2所示，伺服電機(jī)與收卷輪滾軸連接，鋼卷尺尺端拉環(huán)固定在收卷輪滾軸上，通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，既可實(shí)現(xiàn)收卷尺帶又能施加所需的張緊力。

圖2 自動加載與自動收卷系統(tǒng)組成示意圖

2.1 自動加載系統(tǒng)設(shè)計

自動加載系統(tǒng)主要由施力裝置和力測量裝置組成，施力裝置用于施加張緊力，張緊力的大小通過力測量裝置給出并反饋給施力裝置，實(shí)現(xiàn)對施力過程的閉環(huán)控制。施力裝置位于導(dǎo)軌的前端，主要由伺服電機(jī)、收卷輪、尺帶支撐平臺、壓緊氣缸等部分組成。力測量裝置位于導(dǎo)軌的末端，主要由拉力傳感器（量程100 N、準(zhǔn)確度0.02級）、尺帶支撐平臺、微位移平臺及壓緊氣缸組成。其中，拉力傳感器一端固定在大理石平臺上，另一端安裝在尺帶支撐平臺上。微位移平臺位于尺帶支撐平臺下方，可使尺帶支撐平臺在加載力的作用下作微小位移移動，從而使加載力作用到拉力傳感器上。

加載時，后端氣缸將鋼卷尺尺帶壓緊在支撐平臺上，前端氣缸松開。控制電機(jī)以低速正方向慢慢轉(zhuǎn)動，對鋼卷尺施加張緊力。張緊力通過尺身傳遞到末端拉力傳感器。拉力傳感器測得的力變化值即為鋼卷尺所受張緊力的值。當(dāng)力值變化量達(dá)到48.5 N時，伺服電機(jī)立即停止運(yùn)動，待尺帶穩(wěn)定后再次判斷力值是否合格，否則正反微調(diào)電機(jī)運(yùn)動直至張緊力滿足要求，加載過程完成。

2.2 自動收卷系統(tǒng)設(shè)計

由于鋼卷尺尺帶長度、厚度不同，使用中的鋼卷尺還會出現(xiàn)彎折、銹跡等現(xiàn)象，僅通過伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)無法精確確定鋼卷尺收卷的長度。為解決這個問題，本文在導(dǎo)軌前端設(shè)計了由摩擦輪和旋轉(zhuǎn)編碼器組成的收卷量測量系統(tǒng)。摩擦輪與尺身接觸，其旋轉(zhuǎn)量由旋轉(zhuǎn)編碼器給出。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器與收卷長度的對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定后，則可由旋轉(zhuǎn)編碼器直接給出收卷量。

收卷時，前后端氣缸均松開，鋼卷尺處于自由平鋪狀態(tài)。控制電機(jī)以高速正方向轉(zhuǎn)動拉動鋼卷尺，鋼卷尺依靠摩擦力帶動摩擦輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動同軸的旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)。收卷過程中可編程控制器實(shí)時采集旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動脈沖數(shù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的收卷長度后，伺服電機(jī)立即停止運(yùn)動，收卷過程完成。

3 視覺瞄準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

鋼卷尺的檢定主要是驗證整米線紋間距是否合格，因此自動瞄準(zhǔn)就關(guān)系到對整米線紋的識別與提取，同時，自動收卷又涉及到收卷前后整米線紋的數(shù)據(jù)拼接。本裝置的視覺瞄準(zhǔn)系統(tǒng)安裝在運(yùn)動滑臺上，主要由工業(yè)CCD相機(jī)、環(huán)形光源、夾持調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。由于收卷誤差的存在，為保證收卷前后整米線紋與標(biāo)識符同時存在于視場中，系統(tǒng)配合附加0.5倍物鏡，使視場范圍達(dá)到20 mm。

3.1 整米線紋提取

視場范圍內(nèi)具有的可識別線紋很多，線紋之間的間隔約為1 mm，如圖3所示。由于鋼卷尺種類繁多、整米及厘米線紋寬度高度各不相同，因此直接識別整米線紋非常困難。但準(zhǔn)確度等級合格的鋼卷尺在整米測量時，兩條相鄰的整米線紋的長度誤差不會超過0.4 mm，因此利用上一條整米線紋的位置可自動判定下一條整米線紋的位置。

圖3 整米線紋提取示意圖

3.2 收卷后數(shù)據(jù)拼接

由于收卷誤差的存在，使得收卷前后整米線紋在視場中的位置發(fā)生變化，如圖4所示。若將收卷后第一條整米線紋的位置與收卷前最后一條整米線紋的位置拼接起來，需要確定收卷前后位置的變化量，要求將整米線紋從視場中多條線紋重新識別出來。

對于同一支被檢尺，因為標(biāo)識符“m”與整米線紋的位置關(guān)系是固定的，并且已經(jīng)增大視場使整米線紋與標(biāo)識符同時存在于視場中，因此借用收卷前最后一個位置整米線紋與標(biāo)識符“m”的關(guān)系，來確定整米線紋的位置。

圖4 收卷前后整米線紋在視場中的位置發(fā)生變化

4 全自動鋼卷尺檢定裝置的實(shí)現(xiàn)與驗證

4.1 全自動檢定工作流程

全自動鋼卷尺檢定裝置采用一鍵測量，只需人工一次裝夾即可完成鋼卷尺檢測，之后的整個檢測過程無需人工干預(yù)。檢定開始前，將被檢鋼卷尺尺盒固定在導(dǎo)軌后端的加持機(jī)構(gòu)上，調(diào)整零位進(jìn)入瞄準(zhǔn)視場內(nèi)，輸入規(guī)格型號，按如圖5所示的全自動檢測流程開始測量步驟：①滑臺電機(jī)回零、氣缸電磁閥動作進(jìn)入加載狀態(tài)，收卷電機(jī)低速轉(zhuǎn)動施加張緊力；②加載張緊力滿足設(shè)定要求后，氣缸電磁閥動作進(jìn)入測量狀態(tài)，滑臺電機(jī)以設(shè)定的速度和步長運(yùn)動，依次采集圖像、提取線紋、記錄數(shù)據(jù)；③該循環(huán)導(dǎo)軌長度范圍內(nèi)所有測量點(diǎn)測量完成后，判斷是否是最后一個收卷循環(huán)，如果不是滑臺電機(jī)回零，氣缸電磁閥動作進(jìn)入收卷狀態(tài)；④收卷完成后重復(fù)步驟①～③，直至鋼卷尺檢定完成；⑤數(shù)據(jù)分析，生成原始記錄和校準(zhǔn)證書。

4.2 收卷當(dāng)量標(biāo)定和驗證

圖5 全自動檢定流程圖

由于收卷系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量鋼卷尺收卷量，因此需要對旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定方法為設(shè)置鋼卷尺收卷量后對鋼卷尺進(jìn)行自動收卷，記錄每次收卷編碼器旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)Δp和鋼卷尺實(shí)際收卷量Δm，則脈沖當(dāng)量p=Δm/ΔP，多次收卷計算脈沖當(dāng)量平均值。表1為5次自動收卷，每次收卷1 m標(biāo)定的結(jié)果，可知平均脈沖當(dāng)量p=0.09378 mm/脈沖，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.00001 mm/脈沖。

表1 收卷脈沖當(dāng)量標(biāo)定

由于本裝置導(dǎo)軌有效行程為10 m，因此鋼卷尺全自動測量時單次收卷長度為10 m。表2為使用上述標(biāo)定的脈沖當(dāng)量值對100 m的鋼卷尺收卷9次，每次收卷長度為10 m測量的結(jié)果，可知單次收卷10 m的收卷誤差不超過5 mm。

4.3 實(shí)驗驗證

利用本裝置與某中心35 m大尺寸長度標(biāo)準(zhǔn)裝置對同一標(biāo)稱長度為100 m的鋼卷尺進(jìn)行測量，其中35 m大尺寸長度標(biāo)準(zhǔn)裝置鋼卷尺長度測量示值誤差的測量不確定度為U=（5+5L）μm（k=2），其中，L為測量長度，單位為m。實(shí)驗結(jié)果如表3所示。

表2 收卷精度驗證

表3 鋼卷尺測量結(jié)果

分析表3數(shù)據(jù)可知，本裝置與某中心檢測裝置對比，兩者的最大誤差不超過0.03 mm，滿足鋼卷尺檢定規(guī)程的要求；本裝置測量時間為25 min，比某中心檢測裝置提高了5 min；本裝置鋼卷尺裝夾完成后，后續(xù)檢定過程無需人工操作。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種全自動鋼卷尺檢定裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)對鋼卷尺的自動加載、自動收卷、自動瞄準(zhǔn)。通過預(yù)先對收卷量的標(biāo)定，使收卷誤差不超過5 mm，確保整米線紋一直處于相機(jī)視場內(nèi)；同時利用整米線紋及其標(biāo)識符實(shí)現(xiàn)了收卷前后整米線紋的準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)；經(jīng)實(shí)驗證明測量結(jié)果數(shù)據(jù)可靠，與傳統(tǒng)檢定方法相比，大幅度提高了測量效率。