陶瓷磚綜合測量儀導(dǎo)軌直線度在線校準(zhǔn)方法的研究

何衛(wèi)平

（佛山市南海區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)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(chǎn)中常用的測量設(shè)備之一。在陶瓷磚的生產(chǎn)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(shù)進(jìn)行測量，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，為了提高檢驗(yàn)效率，減少人工檢測帶來的錯(cuò)檢和漏檢，企業(yè)開始在陶瓷磚生產(chǎn)線應(yīng)用在線尺寸檢測設(shè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗(yàn)方法，在線檢測設(shè)備也沒有相應(yīng)的校準(zhǔn)方法，因此，對于在線測量結(jié)果的準(zhǔn)確性存在疑問。生產(chǎn)企業(yè)常常通過人工抽樣復(fù)檢來解決，但是人工測量不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對于大于1200mm的陶瓷磚基本無法檢測，且人工測量的結(jié)果無法滿足高精度測量的需求。要解決在線監(jiān)測設(shè)備測量結(jié)果不一致的問題，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需對設(shè)備進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)和確認(rèn)，其中導(dǎo)軌直線度是陶瓷磚綜合測量儀的關(guān)鍵指標(biāo)。本校準(zhǔn)方法通過激光干涉法[2]解決陶瓷磚在線檢測設(shè)備校準(zhǔn)的問題，設(shè)計(jì)了陶瓷磚綜合測量儀導(dǎo)軌直線度的校準(zhǔn)方法，為陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的在線檢測設(shè)備的驗(yàn)收及日常校準(zhǔn)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)備和校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)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(dǎo)軌；AB膠（或油泥）；PC機(jī)；CANopen主機(jī)；帶云臺三腳架；工作臺；臺達(dá)ASD-A2-0421-M伺服驅(qū)動器及ECMAC10604RS伺服電機(jī)。

1.2 試驗(yàn)條件

要求在沒有噪聲干擾的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，要求實(shí)驗(yàn)臺面沒有油污，干凈整潔，平面度好[3]。

1.3 試驗(yàn)原理

采用激光干涉儀測位置精度。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 XL80激光干涉儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of XL80 laser interferometer

線性定位精度（或速度）的測量是通過兩個(gè)光學(xué)器具的相對運(yùn)動來進(jìn)行測量?，F(xiàn)行位置精度（或速度）通過激光干涉儀的干涉條紋計(jì)數(shù)電路來確定兩個(gè)光學(xué)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(jī)器光柵尺的讀數(shù)進(jìn)行比較，來確定精度誤差。從激光干涉儀發(fā)射出的光束經(jīng)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(jīng)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(chǎn)生干涉，出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。當(dāng)線性干涉鏡與線性反射鏡之間的距離發(fā)生變化時(shí)，最終在激光頭上產(chǎn)生的條紋也會變化。系統(tǒng)根據(jù)條紋的變化量推算出位的變化量，從而達(dá)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(chǎn)線上，上層部分主要由運(yùn)動導(dǎo)軌、滑塊、非接觸式光學(xué)測距儀及固定塊等組成，非接觸式光學(xué)測距儀安裝在運(yùn)動導(dǎo)軌上的滑塊處。整體主要靠滑塊運(yùn)動帶動非接觸式光學(xué)測距儀往返運(yùn)動，非接觸式光學(xué)測距儀會感應(yīng)通過運(yùn)送帶運(yùn)輸?shù)奶沾纱u，從而對陶瓷磚的幾何參數(shù)進(jìn)行測量（包括陶瓷磚邊長、厚度和平整度）。

運(yùn)動導(dǎo)軌的滑塊因不斷運(yùn)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(chǎn)品的精度帶來直接影響。隨著導(dǎo)軌從左向右移動，導(dǎo)軌的直線度誤差導(dǎo)致光學(xué)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(zhǔn)方法設(shè)計(jì)

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(jī)器振動、斜率誤差、光學(xué)反射鏡誤差等有較嚴(yán)格要求。角度測量組件可在±10°范圍內(nèi)測量角度位移（俯仰和扭擺），系統(tǒng)可用角度轉(zhuǎn)換成直線度，且測量結(jié)果受外界因素影響較小。

進(jìn)行直線度測量時(shí)，將激光干涉儀安裝在三腳架上，用水平儀調(diào)整好激光干涉儀的水平，打開開關(guān)并預(yù)熱激光頭。在被測儀器設(shè)備上固定好直線度干涉鏡和直線度反射鏡，調(diào)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(fā)射出的激光光束經(jīng)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(diǎn)位置即可進(jìn)行直線度測量。直線度測量構(gòu)建見圖3。

圖3 直線度測量構(gòu)建圖Fig.3 Structural diagram for straightness measurement

直線度測量是根據(jù)直線度干涉鏡和反射鏡的安裝方向差異進(jìn)行導(dǎo)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(yàn)步驟和數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗(yàn)步驟

1）將導(dǎo)軌固定在工作臺上，優(yōu)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(yù)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(yùn)動滑軌（滑塊）上。

4）點(diǎn)擊在線監(jiān)測裝置按鈕使滑塊移到激光光源近端，調(diào)節(jié)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(nèi)聚焦。

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

6）當(dāng)遠(yuǎn)近端的距離光束成一直線后開始測量。將導(dǎo)軌移到激光光源近端，激光干涉儀清零。按導(dǎo)軌總長均勻取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，重復(fù)10次，取其平均值作為測量結(jié)果。

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

8）分析計(jì)算結(jié)果，根據(jù)反饋的位置數(shù)據(jù)，判斷測量誤差和直線度是否滿足±0.02mm的要求[4]。

2.2 數(shù)據(jù)采集和分析

按照2.1步驟操作6），選取一條1200mm導(dǎo)軌進(jìn)行測量，測量點(diǎn)按導(dǎo)軌總長均勻選取5個(gè)點(diǎn)，測量點(diǎn)與重復(fù)測量10次的平均值之差為測量誤差，數(shù)據(jù)如表1和圖5。

表1 測量數(shù)據(jù)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(jié)果表明，在導(dǎo)軌5個(gè)點(diǎn)的測量平均值的線性度很好，導(dǎo)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(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型中，補(bǔ)償后可滿足陶瓷磚綜測儀對于導(dǎo)軌定位的精度需求。

2.3 綜合測量儀的導(dǎo)軌直線度

按照2.1步驟操作7），在激光干涉儀的系統(tǒng)軟件上先得出角度曲線（見圖6），再通過軟件轉(zhuǎn)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(fù)性很好，同樣可進(jìn)行補(bǔ)償?shù)綌?shù)學(xué)模型中去。

3 總結(jié)與展望

陶瓷行業(yè)為保證生產(chǎn)的陶瓷磚的質(zhì)量控制，對陶瓷磚參數(shù)在線監(jiān)測有迫切需求。在線監(jiān)測裝置的性能是保證陶瓷磚產(chǎn)品檢驗(yàn)質(zhì)量的關(guān)鍵，而國內(nèi)尚無針對性的校準(zhǔn)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(dǎo)軌直線度進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。結(jié)果表明，采用激光干涉儀對陶瓷磚綜合測量儀的導(dǎo)軌直線度校準(zhǔn)的方法是可行的，且自動化程度高，測量準(zhǔn)確度高，符合質(zhì)量檢驗(yàn)部門對于陶瓷磚監(jiān)測工作的實(shí)際需求。

但本研究目前僅限于實(shí)驗(yàn)室檢測，且只校準(zhǔn)陶瓷磚綜合測量儀的導(dǎo)軌直線度，還不能滿足陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)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(yùn)動帶動非接觸式光學(xué)測距儀往返運(yùn)動進(jìn)行測量的，滑塊左右運(yùn)動過程中會導(dǎo)致導(dǎo)軌產(chǎn)生抖動、磨損等現(xiàn)象，會對檢測結(jié)果產(chǎn)生不良影響。由于激光干涉儀只是在平面方向進(jìn)行測量，在現(xiàn)場檢測中不能反映導(dǎo)軌在實(shí)際使用的真實(shí)狀況，因此未來還需進(jìn)一步研究如何適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境檢測的方法，如利用激光跟蹤儀既可測量靜止目標(biāo)也可測量移動或其組合的三維目標(biāo)特性來解決企業(yè)現(xiàn)場檢測的需求，進(jìn)一步向?qū)嵱没矫姘l(fā)展。