陶瓷磚綜合測量儀導軌直線度在線校準方法的研究

何衛平

（佛山市南海區質量技術監督檢測所，廣東 佛山 528200）

0 引言

陶瓷磚綜合測量儀是陶瓷磚生產中常用的測量設備之一。在陶瓷磚的生產過程中，需要對陶瓷磚的邊直度、平整度（包括中心彎曲度、邊彎曲度和翹曲度）、直角度[1]等參數進行測量，以保證產品質量。隨著智能制造技術的發展，為了提高檢驗效率，減少人工檢測帶來的錯檢和漏檢，企業開始在陶瓷磚生產線應用在線尺寸檢測設備——陶瓷磚綜合測量儀，以代替原有的人工尺寸檢測。由于在線測量方法不是國家標準規定的檢驗方法，在線檢測設備也沒有相應的校準方法，因此，對于在線測量結果的準確性存在疑問。生產企業常常通過人工抽樣復檢來解決，但是人工測量不但費時費力，對于大于1200mm的陶瓷磚基本無法檢測，且人工測量的結果無法滿足高精度測量的需求。要解決在線監測設備測量結果不一致的問題，提高測試結果的準確性和可靠性，需對設備進行計量校準和確認，其中導軌直線度是陶瓷磚綜合測量儀的關鍵指標。本校準方法通過激光干涉法[2]解決陶瓷磚在線檢測設備校準的問題，設計了陶瓷磚綜合測量儀導軌直線度的校準方法，為陶瓷生產企業的在線檢測設備的驗收及日常校準提供技術支持。

1 試驗設備和校準方法設計

1.1 試驗設備

雷尼紹XL80激光干涉儀（包括激光器、角度干涉鏡、角度反射鏡、偏振分光鏡等）；長度1200mm陶瓷磚綜合測量儀導軌；AB膠（或油泥）；PC機；CANopen主機；帶云臺三腳架；工作臺；臺達ASD-A2-0421-M伺服驅動器及ECMAC10604RS伺服電機。

1.2 試驗條件

要求在沒有噪聲干擾的實驗室進行，要求實驗臺面沒有油污，干凈整潔，平面度好[3]。

1.3 試驗原理

采用激光干涉儀測位置精度。其結構見圖1。

圖1 XL80激光干涉儀結構Fig.1 Structure of XL80 laser interferometer

線性定位精度（或速度）的測量是通過兩個光學器具的相對運動來進行測量。現行位置精度（或速度）通過激光干涉儀的干涉條紋計數電路來確定兩個光學器具之間的相對距離變化（或相對距離變化速率），并與對被測機器光柵尺的讀數進行比較，來確定精度誤差。從激光干涉儀發射出的光束經過干涉鏡后分裂成兩束光，一束光從附加在線性干涉鏡上的反射鏡返回，另一束經與干涉鏡相連的反射鏡返回，兩束光匯合后由于相位變化而產生干涉，出現明暗相間的干涉條紋。當線性干涉鏡與線性反射鏡之間的距離發生變化時，最終在激光頭上產生的條紋也會變化。系統根據條紋的變化量推算出位的變化量，從而達到測距的目的[3]。測量原理見圖2。

圖2 XL80激光干涉儀測量原理Fig.2 Measurement principle of XL80 laser interferometer

1.4 陶瓷磚綜合測量儀的組成

陶瓷磚綜合測量儀安裝在生產線上，上層部分主要由運動導軌、滑塊、非接觸式光學測距儀及固定塊等組成，非接觸式光學測距儀安裝在運動導軌上的滑塊處。整體主要靠滑塊運動帶動非接觸式光學測距儀往返運動，非接觸式光學測距儀會感應通過運送帶運輸的陶瓷磚，從而對陶瓷磚的幾何參數進行測量（包括陶瓷磚邊長、厚度和平整度）。

運動導軌的滑塊因不斷運動抖動、本身研磨受損及地基不牢等原因，會對儀器的定位、加工產品的精度帶來直接影響。隨著導軌從左向右移動，導軌的直線度誤差導致光學傳感器對尺寸的測量偏差，從而影響在線檢測裝置性能。

1.5 校準方法設計

激光干涉儀直線度組件的測量范圍在斜率±5μm，線性度鏡頭±1μm，對空氣波動和機器振動、斜率誤差、光學反射鏡誤差等有較嚴格要求。角度測量組件可在±10°范圍內測量角度位移（俯仰和扭擺），系統可用角度轉換成直線度，且測量結果受外界因素影響較小。

進行直線度測量時，將激光干涉儀安裝在三腳架上，用水平儀調整好激光干涉儀的水平，打開開關并預熱激光頭。在被測儀器設備上固定好直線度干涉鏡和直線度反射鏡，調整直線度干涉鏡和直線度反射鏡與激光頭的位置，使激光頭發射出的激光光束經由干涉鏡分光束后，再由反射鏡返回激光器，直至測量光束和參考光束重合并射入激光頭接收點位置即可進行直線度測量。直線度測量構建見圖3。

圖3 直線度測量構建圖Fig.3 Structural diagram for straightness measurement

直線度測量是根據直線度干涉鏡和反射鏡的安裝方向差異進行導軌的橫向或縱向直線度測量（見圖4）。

圖4 工作臺縱、橫向直線度測量Fig.4 Measurement of longitudinal and transverse straightness of the workbench

2 試驗步驟和數據采集

2.1 試驗步驟

1）將導軌固定在工作臺上，優先使用螺絲螺母打孔固定，次選利用AB膠固定。

2）固定激光干涉儀，將激光頭安裝在三腳架上，連接電源，開啟XL-80激光頭，預熱5min。

3）先用線性測量組件測量儀器誤差，確定光路，固定激光干涉儀角度干涉鏡，將反射鏡安裝到運動滑軌（滑塊）上。

4）點擊在線監測裝置按鈕使滑塊移到激光光源近端，調節干涉鏡和反射鏡位置和高度，以便使光束穿過干涉鏡的入光孔正中，確保光束反射后在干涉鏡的回光孔內聚焦。

5）令滑塊向激光光源遠端移動，觀察激光頭屏幕上顯示的信號強度，若信號強度隨著運動軸逐漸減弱，則先在信號強度減弱處調光聚焦，再令滑塊回到近端調光聚焦，如此反復，直至遠近兩端處信號強度較強。

6）當遠近端的距離光束成一直線后開始測量。將導軌移到激光光源近端，激光干涉儀清零。按導軌總長均勻取5個點進行測量，重復10次，取其平均值作為測量結果。

7）更換角度測量組件，測量水平方向直線度，需按導軌總長均勻取5點測量，通過激光干涉儀軟件系統，把角度轉換成直線度。

8）分析計算結果，根據反饋的位置數據，判斷測量誤差和直線度是否滿足±0.02mm的要求[4]。

2.2 數據采集和分析

按照2.1步驟操作6），選取一條1200mm導軌進行測量，測量點按導軌總長均勻選取5個點，測量點與重復測量10次的平均值之差為測量誤差，數據如表1和圖5。

表1 測量數據和誤差（mm）Tab.1 Measurement data and errors (mm)

圖5 測量平均值Fig.5 Average value of measurement

結果表明，在導軌5個點的測量平均值的線性度很好，導軌測量誤差最大+0.0011mm,最小為-0.0004mm,測量誤差均小于±0.02mm。因此在使用中可以其作為常量加入誤差補償的數學模型中，補償后可滿足陶瓷磚綜測儀對于導軌定位的精度需求。

2.3 綜合測量儀的導軌直線度

按照2.1步驟操作7），在激光干涉儀的系統軟件上先得出角度曲線（見圖6），再通過軟件轉化成直線度曲線（見圖7）。

圖6 角度曲線Fig.6 Angle curve

圖7 直線度曲線Fig.7 Straightness curve

從圖7可以看出，直線度誤差最大不超過0.0025mm，滿足±0.02mm的要求，直線度測量值的重復性很好，同樣可進行補償到數學模型中去。

3 總結與展望

陶瓷行業為保證生產的陶瓷磚的質量控制，對陶瓷磚參數在線監測有迫切需求。在線監測裝置的性能是保證陶瓷磚產品檢驗質量的關鍵，而國內尚無針對性的校準方法。本文基于直線度誤差的檢測方法，研究了采用激光干涉儀對陶瓷磚綜合測量儀的導軌直線度進行校準的方法。結果表明，采用激光干涉儀對陶瓷磚綜合測量儀的導軌直線度校準的方法是可行的，且自動化程度高，測量準確度高，符合質量檢驗部門對于陶瓷磚監測工作的實際需求。

但本研究目前僅限于實驗室檢測，且只校準陶瓷磚綜合測量儀的導軌直線度，還不能滿足陶瓷磚生產企業現場檢測陶瓷磚綜合測量儀的需求。陶瓷磚綜合測量儀是通過滑塊運動帶動非接觸式光學測距儀往返運動進行測量的，滑塊左右運動過程中會導致導軌產生抖動、磨損等現象，會對檢測結果產生不良影響。由于激光干涉儀只是在平面方向進行測量，在現場檢測中不能反映導軌在實際使用的真實狀況，因此未來還需進一步研究如何適應現場環境檢測的方法，如利用激光跟蹤儀既可測量靜止目標也可測量移動或其組合的三維目標特性來解決企業現場檢測的需求，進一步向實用化方面發展。