量塊檢定系統(tǒng)的研究

丁娟　劉爽

摘 要：量塊的檢定是長度計(jì)量中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過量塊將長度基準(zhǔn)傳遞到機(jī)械零件和產(chǎn)品的尺寸上，從而保證量值統(tǒng)一。本文提出了一套高精度、自動(dòng)化、高效率的量塊檢定系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，分析了提高系統(tǒng)精度的方法，具有一定實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：量塊；檢定；系統(tǒng)

1 概述

量塊，是人類測(cè)試科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定時(shí)期的產(chǎn)物，是工業(yè)實(shí)踐中實(shí)際需要和測(cè)量經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合而產(chǎn)生出的一種實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)。作為長度計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，其以外形簡(jiǎn)單，使用方便等特性，在工業(yè)產(chǎn)品的尺寸監(jiān)控以及長度量值的傳遞中，至今仍發(fā)揮著重要的作用。

量塊的檢定，體現(xiàn)了量塊長度量值的溯源。檢定的目的是要確定量塊長度量值作為標(biāo)準(zhǔn)量的合法性，即確定被檢量塊的等與級(jí)。當(dāng)然，作為標(biāo)準(zhǔn)，量塊的外觀、平面度、研合性、硬度等指標(biāo)也要有相應(yīng)的要求。我國新頒布的量塊檢定規(guī)程JJG146-2011規(guī)定了量塊檢定的各個(gè)方面的要求，較舊規(guī)則有一系列變化，如取消00級(jí)，用K級(jí)作為校準(zhǔn)級(jí)；取消6等量塊；還對(duì)量塊材料、表面粗糙度、側(cè)面和測(cè)量面的平面度、硬度等作了一系列修改，用以適應(yīng)量塊的制造、檢定、使用等方面的發(fā)展和變化。

2 量塊的檢定方法

量塊的檢定方法主要可分為兩種：

1）光干涉直接測(cè)量法

光干涉直接測(cè)量法用于高等級(jí)量塊的檢定，它是以光波波長作為標(biāo)準(zhǔn)量，以量塊測(cè)量表面作為測(cè)量鏡面構(gòu)成干涉儀，直接體現(xiàn)了對(duì)米定義的溯源，這樣的儀器有柯氏干涉儀。

2）比較檢定法

比較檢定法則是以高等級(jí)量塊長度作為標(biāo)準(zhǔn)量，將低等級(jí)量塊與之進(jìn)行比較，通過高精度測(cè)長儀器測(cè)得被檢量塊與標(biāo)準(zhǔn)量塊長度的長度差，常用的儀器有接觸式干涉儀、測(cè)長機(jī)和光學(xué)計(jì)等。

3 量塊檢定系統(tǒng)

量塊檢定系統(tǒng)由激光干涉儀觸測(cè)模塊、自動(dòng)定位模塊、電感測(cè)頭觸測(cè)模塊、溫度測(cè)量模塊、測(cè)量工作平臺(tái)模塊、信號(hào)采集與控制模塊和計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件模塊等七個(gè)部分構(gòu)成。如圖1所示，整個(gè)測(cè)量裝置放置在氣浮臺(tái)上，激光干涉儀測(cè)頭固定在機(jī)械框架內(nèi)的可滑動(dòng)的支撐架上，用搖柄可以粗動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)頭位置。激光干涉儀測(cè)頭由激光干涉儀電氣箱控制和處理回傳信號(hào)，電氣箱和計(jì)算機(jī)相連。

二維步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)平臺(tái)上加載一塊鋼板，伸向測(cè)量平臺(tái)上表面，但不接觸，標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測(cè)量塊放置在鋼板上的量塊槽中。二維步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接控制。電感測(cè)頭固定在機(jī)械框架內(nèi)的測(cè)量平臺(tái)上，稍微露出平臺(tái)3μm，和激光干涉測(cè)頭在同一條直線上。電感測(cè)頭所感應(yīng)的微小位移信號(hào)由信號(hào)采集與控制模塊提取。

兩個(gè)PT100鉑電阻分別貼在標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測(cè)量塊的表面，并和信號(hào)采集與處理模塊中的電阻串聯(lián)分壓；測(cè)量工作臺(tái)固定在機(jī)械框架下方，用以固定電感測(cè)頭和放置量塊。計(jì)算機(jī)和激光干涉儀電氣箱，信號(hào)采集與控制模塊相連，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)激光干涉測(cè)頭、電感測(cè)頭和二維步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的工作。

4 量塊檢定流程

檢定時(shí)，計(jì)算機(jī)向信號(hào)采集與處理模塊發(fā)送命令，控制步進(jìn)電機(jī)工作，帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)量塊中心正對(duì)LM20激光干涉儀測(cè)頭，然后計(jì)算機(jī)向LM20激光干涉儀電氣箱發(fā)送命令，控制上測(cè)頭伸長，和量塊上表面充分接觸測(cè)量，同時(shí)下測(cè)頭由于彈力也和量塊下表面充分接觸，儀器采集此時(shí)上下測(cè)頭數(shù)據(jù)，回傳給計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，并將它們都設(shè)置為零點(diǎn)。然后上測(cè)頭縮短，離開標(biāo)準(zhǔn)量塊表面。步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)鋼板，使被測(cè)量塊中心正對(duì)上下測(cè)頭，上下側(cè)頭觸測(cè)量塊獲得與標(biāo)準(zhǔn)量塊的偏差值。

5 提高系統(tǒng)精度分析

5.1 減小溫度變化影響的措施

1）用空調(diào)將實(shí)驗(yàn)室溫度控制在20±0.3℃范圍內(nèi)，保持恒定。

2）減少人體輻射的影響。測(cè)量時(shí)，人體盡可能遠(yuǎn)離測(cè)量儀器。

5.2 減小振動(dòng)影響的措施

1）在安靜的環(huán)境里測(cè)量，加載量塊，開始測(cè)量后，檢定人員應(yīng)保持安靜。

2）選擇合適的控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線，使步進(jìn)電機(jī)的噪聲減小到最低點(diǎn)。當(dāng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡量避免共振的產(chǎn)生，否則在短時(shí)間內(nèi)噪聲的影響會(huì)依然存在。

3）選擇隔振平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)中選擇了氣浮隔振平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來很大幫助。

6 結(jié)論

近十幾年來，無論是量塊技術(shù)法規(guī)的制定、量塊測(cè)量儀器的研制，還是國際、國內(nèi)量塊比對(duì)活動(dòng)，量塊測(cè)量準(zhǔn)確度的提高始終是量塊計(jì)量技術(shù)人員的研究課題和不懈追求。因此，量塊計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)也從未間斷過相關(guān)課題的研究。本文著眼于標(biāo)準(zhǔn)量塊與被測(cè)量塊的比較式檢定，采用雙測(cè)頭進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的檢定方式，增加二維步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)平臺(tái)精確定位測(cè)量點(diǎn)，引入溫度測(cè)量修正量塊長度變化偏差，使用自行開發(fā)測(cè)量軟件，構(gòu)建一臺(tái)滿足二等量塊檢定三等量塊的裝置。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

丁娟，女，1985年12月20日，助理工程師，沈陽計(jì)量測(cè)試院，研究方向：量塊檢測(cè)、角度塊、粗糙度樣塊、平晶、螺紋量規(guī)、位移傳感器等精測(cè)量具檢測(cè)，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)零部件幾何尺寸和形位公差。