大尺寸鋼卷尺目標(biāo)線紋檢定與實(shí)現(xiàn)方法研究

段麗穎

（葫蘆島市檢驗(yàn)檢測(cè)中心 遼寧葫蘆島 125000）

1 鋼卷尺與相關(guān)檢定簡(jiǎn)析

1.1 鋼卷尺的工作原理和分類

鋼卷尺屬于日常生活中最為常用的計(jì)量器具之一。鋼卷尺是卷尺的分支，其主要利用鋼材制造，具有良好的硬度與柔韌性表現(xiàn)，可以在各種任務(wù)場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。鋼卷尺在過去被稱為丈量步車，可以采用鋼材與纖維材料進(jìn)行生產(chǎn)。當(dāng)前，應(yīng)用較為廣泛的鋼卷尺普遍利用碳素鋼制造，并加入部分塑料與玻璃纖維，使其能夠維持理想狀態(tài)，避免在應(yīng)用過程中出現(xiàn)延展過長等問題。通常情況下，鋼卷尺與其他材料的卷尺在應(yīng)用效果與原理方面具有一致性，因此，無需進(jìn)行特別區(qū)分。

按照實(shí)際應(yīng)用功能進(jìn)行分類，鋼卷尺可以分為3個(gè)基礎(chǔ)類別，即測(cè)長、測(cè)深、測(cè)周長直徑［1］。測(cè)長鋼卷尺最為常見，其能夠針對(duì)物體的實(shí)際長度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)深鋼卷尺則經(jīng)過特定處理，可以在容器中對(duì)液體深度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)周長直徑的鋼卷尺顧名思義，可以針對(duì)物體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

1.2 鋼卷尺的檢定現(xiàn)狀

按照結(jié)構(gòu)本身存在的差異，鋼卷尺能夠分為架式搖卷尺、盒式搖卷尺等。標(biāo)準(zhǔn)化鋼卷尺的直線度應(yīng)當(dāng)保持在0.5mm/m的級(jí)別內(nèi)，同時(shí)，尺帶寬度需要維持在12～15mm 的范圍內(nèi)。鋼卷尺寬度差應(yīng)當(dāng)小于0.2mm，并使尺帶厚度高于0.3mm，厚度差需要小于0.02mm。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)化鋼卷尺的線紋寬度處于0.08～0.12mm范圍內(nèi)，寬度差應(yīng)當(dāng)小于0.02mm［2］。根據(jù)當(dāng)前的《鋼卷尺檢定規(guī)程》（JJG 4-2015），其基礎(chǔ)誤差范圍需要通過激光干涉裝置與分度計(jì)裝置進(jìn)行檢查，確保小于0.001mm。檢定階段，還需要針對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行科學(xué)管控，包括溫度、濕度等，確保檢定結(jié)果能夠得到充分保障，降低出現(xiàn)不良影響的可能性。

2 大尺寸鋼卷尺目標(biāo)線紋檢定研究必要性分析

目前，大部分計(jì)量檢定單位在針對(duì)大尺寸鋼卷尺進(jìn)行目標(biāo)線紋檢定時(shí)，仍然傾向于采用人工目視方法進(jìn)行檢查。此類措施雖然能夠節(jié)約基礎(chǔ)成本，但由于過度依靠人眼，因此可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)漏問題出現(xiàn)，頻繁進(jìn)行目視對(duì)比也會(huì)導(dǎo)致視疲勞問題產(chǎn)生，可能會(huì)進(jìn)一步加大錯(cuò)誤概率，不利于大尺寸鋼卷尺目標(biāo)線紋檢定精確性的提升［2］。為解決此類缺陷引發(fā)的一系列問題，需要針對(duì)檢定方式進(jìn)行深入研究，以確保大尺寸鋼卷尺能夠得到正確的檢定，最大限度降低實(shí)際錯(cuò)漏概率。因此，可通過基于光柵技術(shù)與移動(dòng)CCD 技術(shù)構(gòu)建線紋識(shí)別自動(dòng)化應(yīng)用平臺(tái)，能夠有效取代傳統(tǒng)人工檢定方式，不僅可以降低錯(cuò)漏概率，還可以縮減人力投入成本，因此該研究具有重要實(shí)際意義。為確保相關(guān)方案能夠得到科學(xué)應(yīng)用，需要針對(duì)其進(jìn)行深入技術(shù)研究，確保部署效果能夠達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)進(jìn)一步展開大尺寸鋼卷尺目標(biāo)線紋檢定工作夯實(shí)基礎(chǔ)條件。

3 大尺寸鋼卷尺目標(biāo)線紋檢定實(shí)現(xiàn)方法研究

3.1 設(shè)備規(guī)劃

為確保能夠針對(duì)大尺寸鋼卷尺展開精確、自動(dòng)化目標(biāo)線紋檢定工作，應(yīng)當(dāng)首先針對(duì)應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)備規(guī)劃進(jìn)行深入研究。我國當(dāng)前所采用的檢定標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)主要依據(jù)常用測(cè)量工具體系進(jìn)行修訂，其可以在鋼卷尺首次檢定與后續(xù)應(yīng)用檢查階段應(yīng)用，以確保基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)符合《鋼卷尺檢定規(guī)程》（JJG 4-2015）要求。在檢定過程中，需要將檢定規(guī)程作為基礎(chǔ)條件，通過規(guī)程測(cè)量應(yīng)用措施與實(shí)際精度，確保自動(dòng)化檢定平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)自身功能，達(dá)到理想檢定效果。在首次檢定流程中，應(yīng)當(dāng)保證實(shí)際溫度標(biāo)準(zhǔn)符合需求，即處于20℃左右，上下浮動(dòng)極限不超過5℃［3］。I級(jí)鋼卷尺在檢定過程中符合此標(biāo)準(zhǔn)即可，II 級(jí)鋼卷尺檢定溫度浮動(dòng)極限可提升至8℃。在檢定過程中，需要保證標(biāo)準(zhǔn)化工具與待檢定鋼卷尺處于規(guī)定環(huán)境內(nèi)，避免溫度超過極限導(dǎo)致檢定結(jié)果精確性下降。若溫度存在偏差問題，則需要通過延長放置時(shí)間的方式，使溫度能夠逐漸趨于環(huán)境溫度，此流程需要大于4h，避免放置時(shí)間不足導(dǎo)致溫度存在差異。若鋼卷尺屬于搖卷式類型，在檢定過程中，需要根據(jù)應(yīng)用平臺(tái)長度存在的差異，施加不同的張緊力級(jí)別，以確保測(cè)量結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在檢定平臺(tái)長度超過20m的狀態(tài)下，需要施加至少98N張緊力，上下浮動(dòng)極限不超過0.5N。若鋼卷尺屬于測(cè)量液體深度的類型，則需要根據(jù)尺砣基礎(chǔ)質(zhì)量級(jí)別，判斷需要施加的實(shí)際張緊力。通常情況下，相關(guān)張緊力應(yīng)當(dāng)維持在15.7N左右，上下浮動(dòng)極限不超過0.3N。在搭建檢定平臺(tái)的過程中，平臺(tái)主體支撐結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)臺(tái)面可以采用大理石材料進(jìn)行制作。與其他材料存在差異，大理石硬度符合應(yīng)用需求，產(chǎn)生形變的可能性較低，因此，可以大幅降低后續(xù)維護(hù)成本，提高測(cè)量經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，大理石加工應(yīng)用工藝成熟度高，可以保證表面直線度符合后續(xù)光柵測(cè)量需求。因此，需要合理應(yīng)用大理石材料進(jìn)行平臺(tái)制作，確保其能夠達(dá)到理想測(cè)量應(yīng)用設(shè)備級(jí)別。

通過在大理石材料檢定臺(tái)面部署不銹鋼材質(zhì)的導(dǎo)軌，可以為后續(xù)檢定自動(dòng)化平臺(tái)應(yīng)用提供重要基礎(chǔ)條件。不銹鋼導(dǎo)軌應(yīng)當(dāng)保持高直線度達(dá)到5m，同時(shí)應(yīng)用配套滑塊結(jié)構(gòu)，使其能夠在導(dǎo)軌表面進(jìn)行滑動(dòng)。摩擦力相對(duì)于阻力較低，因此，能夠避免移動(dòng)過程中出現(xiàn)的誤差問題。在滑塊移動(dòng)階段，其表面需要安裝相機(jī)設(shè)備，針對(duì)臺(tái)面被檢定鋼卷尺圖像進(jìn)行信息收集與對(duì)比。通過將相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸至計(jì)算機(jī)平臺(tái)，即可完成整理流程，獲得目標(biāo)線紋與檢定中心存在的偏離數(shù)據(jù)。除此之外，滑塊表面還需要安裝光柵讀數(shù)頭，并使其能夠與檢定平臺(tái)光柵尺處于緊密貼合的狀態(tài)，為收集滑塊實(shí)際移動(dòng)長度提供重要條件。通過將移動(dòng)長度與目標(biāo)線紋偏離中心相結(jié)合，便可以計(jì)算鋼卷尺刻線數(shù)據(jù)，最終獲得實(shí)際數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)之間存在的偏差，完成檢定流程［4］。

3.2 硬件構(gòu)成

在針對(duì)自動(dòng)化檢定平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建的過程中，應(yīng)當(dāng)重視其硬件組成規(guī)劃，以確保實(shí)際應(yīng)用效果能夠達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)化檢定平臺(tái)所應(yīng)用的相機(jī)設(shè)備需要調(diào)整為移動(dòng)CCD 類型，CCD 主要代指電荷耦合元件，其能夠?qū)﹄姾闪窟M(jìn)行分析，將其級(jí)別與信號(hào)級(jí)別進(jìn)行比對(duì)處理。信號(hào)的常見傳輸方式即為耦合方式，其可以有效發(fā)揮探測(cè)作用，屬于較為關(guān)鍵的元件之一。從功能角度進(jìn)行分類能夠明確，CCD可以分為線陣、面陣兩種［5］。線陣CCD 的基礎(chǔ)相數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在關(guān)聯(lián)，其可以根據(jù)使用需求的不同，進(jìn)行靈活調(diào)整處理。而面陣CCD結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，其需要在相機(jī)設(shè)備獲取圖像信息后，將這些數(shù)據(jù)通過USB 連接線傳送至計(jì)算機(jī)內(nèi)，隨后，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)面陣CCD處理方案，對(duì)線紋狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，最終達(dá)到理想應(yīng)用目標(biāo)。常規(guī)情況下，采用此類硬件架構(gòu)方式可以通過一鍵處理，完成所有檢定流程。除此之外，其還允許進(jìn)行手動(dòng)刻線處理，能夠有效應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的工作狀態(tài)。例如，等待檢定的大尺寸鋼卷尺存在磨損、辨識(shí)難度較高導(dǎo)致無法進(jìn)一步處理等，通過將檢定平臺(tái)的AD采集卡與數(shù)據(jù)流程相整合，能夠最大限度提高信息收集效果，有效解決磨損識(shí)別困難問題。數(shù)據(jù)采集需要針對(duì)電量或非電量信號(hào)進(jìn)行分析，并將其傳送至上位機(jī)裝置區(qū)域。因此，需要在部署硬件的過程中，針對(duì)采集卡進(jìn)行科學(xué)篩選，確保其能夠滿足應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)理想硬件運(yùn)行目標(biāo)，檢定裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大尺寸鋼卷尺目標(biāo)線紋檢定裝置結(jié)構(gòu)圖

在硬件設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)AD采集卡型號(hào)進(jìn)行科學(xué)篩選，使其采集速度能夠維持在中等級(jí)別，能夠最大限度地提高大尺寸鋼卷尺線紋檢定精確性，同時(shí)也可以節(jié)約實(shí)際檢定時(shí)間。采集卡可以利用PCI總線進(jìn)行連接與數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還具有即插即用的特性，能夠隨時(shí)針對(duì)信息進(jìn)行收集［6］。在連接過程中，應(yīng)當(dāng)注重管腳的類型選擇。通過將模擬輸入、接地管腳與系統(tǒng)相連接，能夠科學(xué)完成采集卡部署流程，實(shí)現(xiàn)理想應(yīng)用目標(biāo)。除此之外，硬件設(shè)計(jì)還需要注重步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。常規(guī)條件下，步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)距離與脈沖數(shù)存在密切聯(lián)系，同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度與脈沖頻率存在聯(lián)系。因此，通過向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，可以使其完成一個(gè)步距角的轉(zhuǎn)動(dòng)流程。在正常的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)個(gè)脈沖，能夠保證其轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)。為避免步進(jìn)電機(jī)荷載超出極限，應(yīng)當(dāng)針對(duì)相關(guān)脈沖進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，防止電機(jī)出現(xiàn)失步或工作異常等問題。常規(guī)條件下，步進(jìn)電機(jī)本身不存在累積性誤差，因此，針對(duì)大尺寸鋼卷尺進(jìn)行線紋測(cè)量的過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況條件進(jìn)行控制，使脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)能夠正確對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的步距角需求，科學(xué)、有效地控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，使線紋檢定流程能夠正常進(jìn)行。除此之外，還需要針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行科學(xué)選擇，通過對(duì)市場(chǎng)應(yīng)用趨勢(shì)與步進(jìn)電機(jī)實(shí)際性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠明確需要部署的電機(jī)型號(hào)，有利于解決大尺寸鋼卷尺檢定階段存在的局限性問題，為后續(xù)開展高精確度、高效率檢定工作提供重要支持。

3.3 軟件構(gòu)成

軟件屬于大尺寸鋼卷尺線紋檢定自動(dòng)化解決方案的重要組成部分之一，因此，需要重視相關(guān)設(shè)計(jì)工作，確保設(shè)計(jì)效果能夠達(dá)到理想需求，降低出現(xiàn)不良問題的可能性，提高檢定精確度與工作效率。在開發(fā)軟件平臺(tái)的過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際條件選擇需要應(yīng)用的編程語言類型，包括VC、C++等［7］。通過針對(duì)檢定平臺(tái)操作界面進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，可以有效提高檢定工作的可操作性，有利于降低錯(cuò)誤處理問題出現(xiàn)概率，實(shí)現(xiàn)理想檢定目標(biāo)。除操作界面以外，移動(dòng)相機(jī)設(shè)備所收集的應(yīng)用圖像數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行科學(xué)編寫，同時(shí)，還應(yīng)針對(duì)檢定流程算法進(jìn)行規(guī)劃，以確保其能夠符合平臺(tái)應(yīng)用需求。在完成相關(guān)開發(fā)流程后，需要生成可用的執(zhí)行文件，使系統(tǒng)能夠快速調(diào)用相關(guān)軟件平臺(tái)，最大限度地降低出現(xiàn)問題的概率。VC 編程主要面向?qū)ο筇幚恚瑫r(shí)，其可視化程度與集成程度較高，因此，能夠有效解決大尺寸鋼卷尺檢定流程中存在的軟件需求。在開發(fā)階段，需要設(shè)置檢定操作界面的主要內(nèi)容，如檢查視窗、關(guān)鍵信息展示等。在錄入并完成檢定流程后，通過點(diǎn)擊操作按鈕發(fā)送指令，即可開展后續(xù)處理流程。

相對(duì)于人工觀察方式，自動(dòng)化軟件平臺(tái)能夠顯著提高基礎(chǔ)檢定效率。程序需要完成4 個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，以達(dá)到有效檢定目標(biāo)：第一環(huán)節(jié)，需要針對(duì)相機(jī)設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。第二環(huán)節(jié)，需要針對(duì)完成采集的光柵信號(hào)進(jìn)行處理。第三環(huán)節(jié)，需要向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送應(yīng)用信號(hào)，使其能夠達(dá)到正常運(yùn)行目標(biāo)。第四環(huán)節(jié)，需要結(jié)合檢定用算法，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行整合與應(yīng)用，確保鋼卷尺檢定流程能夠正常完成。

通過依照相關(guān)規(guī)定流程，設(shè)計(jì)大尺寸鋼卷尺線紋檢定軟件平臺(tái)，能夠有效提高檢定效果，降低人為操作出現(xiàn)問題的可能性。通過科學(xué)部署軟件平臺(tái)，還能夠?yàn)橛布O(shè)備的充分應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)條件，具有重要影響意義，因此，需要科學(xué)展開設(shè)計(jì)工作，確保軟件編程能夠達(dá)到需求，提高應(yīng)用質(zhì)量與效率。

4 未來檢定發(fā)展趨勢(shì)探索

大尺寸鋼卷尺在開展線紋檢定的過程中，對(duì)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求較為嚴(yán)格，因此，需要采取有效的技術(shù)實(shí)現(xiàn)措施，確保其能夠得到高精度檢定，最大限度地降低出現(xiàn)問題的概率。通過分析鋼卷尺類型，結(jié)合實(shí)際檢定要求設(shè)置相關(guān)技術(shù)條件，能夠有效解決檢定問題，避免人工處理方式存在的缺陷。通過搭建基于移動(dòng)化CCD 及光柵設(shè)備的大尺寸鋼卷尺自動(dòng)檢定平臺(tái)，能夠有效明確其應(yīng)用需求，并為未來檢定發(fā)展提供具有參考價(jià)值的信息。大尺寸鋼卷尺與常規(guī)鋼卷尺檢定存在一定程度的差異，其線紋檢定可能與視窗中心出現(xiàn)偏差較大的問題，容易導(dǎo)致辨識(shí)錯(cuò)誤出現(xiàn)，甚至引發(fā)無法分析的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

針對(duì)大尺寸鋼卷尺進(jìn)行目標(biāo)線紋檢定的過程中，應(yīng)當(dāng)重視相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，確保其能夠得到正確部署，有效提高檢定的基礎(chǔ)精確性，并降低對(duì)人力資源的需求，實(shí)現(xiàn)理想檢定目標(biāo)。除此之外，還需要明確未來技術(shù)發(fā)展方向，確保技術(shù)革新能夠得到充分重視，從根源層面提高大尺寸鋼卷尺的檢定可靠性。