常禄萍 陈鑫 陈浩 / 上海市计量测试技术研究院

基于KUNZ垂直度检查仪的自动化改造

常禄萍 陈鑫 陈浩 / 上海市计量测试技术研究院

介绍在KUNZ垂直度检查仪基础上进行改造。通过加装驱动系统，采用直流电机使钢带拉动测量挡板自下往上的运动，从而完成整个测量过程。在测量过程中通过电感仪采集的数据经专用数据线传入电脑，经过自编软件对其进行分析计算，最终得出测量结果。经过不确定度的评定后测量结果满足JJG 7-2004《直角尺》检定规程的要求。

垂直度检查仪；自动化；设计

0 引言

瑞士生产的KUNZ垂直度检查仪的主体是高精度的柱状大理石精密构件。其真空装置由内部空气压力系统提供动力，通过开关贯入高压气体使得仪器的底面与大理石平台之间形成空气薄膜，以便检定人员能使其在大理石平台上作平滑移动。此外，手动挡板通过气动装置产生负压，使挡板能够在不依赖外力的作用下牢牢地吸附在导轨基面上。该类仪器每次使用都需进行调整, 测量很不方便。

本文提出在KUNZ垂直度检查仪手动测量基础上加装直流电机，通过电机驱动使钢带拉动测量挡板自下往上运动，从而完成整个测量过程。电感仪采集数据经专用数据线传入电脑，通过自编软件对数据流进行分析计算，最终得出测量结果。

1 KUNZ垂直度检查仪机械设计

在理想的测量过程中，测量挡板自下往上的运动应该是匀速直线运动，此时电感测微头受到的外力波动最小，得到的数据也最稳定。传统的人工手动方法，即使再经验丰富的操作人员也无法保证全程匀速运动。因此，采用在测量挡板的顶端加装挂扣，在直角尺检查仪的顶部安装可逆电机，通过可逆电机带动连接测量挡板的皮带来实现其匀速上升。在上升过程中，电感测微头以相同的时间间隔不断进行数据采样，到达顶端后，软件对采样数据进行分析，得出最终的结果。

1.1 动力装置

对于KUNZ的垂直度检查仪，其空间有限，因此，需要选用尺寸较小的直流电机。又因为仪器在工作状态下气动电源处于开启状态，因此，皮带在拉动测量挡板的时候不仅要克服本身的重力及静摩擦力，还需要克服气动装置产生的吸附力，所以，需要选用起动力矩大的电机。结合以上两点，选用了直流可逆电机作为动力核心部件。

1.2 传动装置

传动装置由转筒、滑轮和钢带组成。直流电机带动了转筒，转筒上的滑轮通过传动将吊在测量挡板上的皮带做向后传送运动，由于滑轮和皮带之间静摩擦因数较小，因此需要在直角尺检定仪后侧增加比重块来增加摩擦因数，使得皮带能够匀速运动，最终完成测量过程。

1.3 定位装置

在使用垂直度检查仪打表检定过程中，很重要的准备工作就是要寻找到电感测微头和被测直角尺的转折点，也就是拐点。只有找对了拐点，才能使得测量数据中的系统误差减小到最低。原KUNZ垂直度检查仪未附配套的定位装置，因此，为了减少寻找拐点所耗费的时间精力，特地设计了若干定位辅助垫块。根据实际的使用要求，辅助垫块两平行平面的平行度及平面度不能超过0.6 μm。该辅助垫块采用铝作为材料，经过发黑抛光处理，现有的加工技术完全可以使其达到使用要求。

2 数据处理程序

2.1 运算程序

根据改造方案设计要求，软件部分需要完成数据采集、数据处理、数据输出和保存的作用。其中在人机交互中需要满足实际的操作流程。其工作流程见图1。

图1 测量工作流程图

开启软件后，首先会进入到设置参数的界面，根据检测的规范和步骤作好记录；然后动力装置启动，通过传动装置使得测量挡板匀速运动，同时软件开启数据采集。数据采集结束时应先关闭软件上数据采样功能，再关闭机械自动化系统。软件可进行数据处理并输出到一个excel文件中，并根据需要显示采样点的分布情况。

为了完成软件的设计，采用VisualStdio 2010在netframe 4.0框架下VB语言开发。软件利用了软件调试、虚拟串口仿真调试和联机在线调试以及实验验证，完成软件的测试。

2.1 软件

软件的设计，主要是基于VB的面向对象的程序设计，获取对象的参数属性、数据的通信、处理和输出等程序。这里主要指的是设置参数的获取过程、串口通信的设置、采样过程的协调、基于最小二乘法的直线的拟合数据处理、数据输出到excel和显示的程序设计。

2.2 参数的传递和获取

正如在界面设计中所述，在人机交互中涉及的参数需要传递给程序处理。主要参数的输入方式采用文本框的change事件来实现。其中，由于涉及后面数据的处理，有必要对数据进行转换。虽然VS支持一定的数据强制转换，但是在实际调试和实验中，很容易在数值转换时出现问题。基于此，设计参数的提取时，需要分清参数类型并正确地转换和保存。对于参数，其定义起到了决定的作用。控制好参数的作用域才能既保证软件的运行通畅和各模块对于参数的顺利调用。根据实际情况，在数据操作界面下完成很多的操作，其中在数据输出步骤中需要调用记录参数界面下设置的参数。

2.3 数据采集和串口通信

主要采集TT20仪器通过串口传输到软件中的数据。这里采用VS2010的串口通信控件——MSComm控件，该控件和VB6.0中的控件功能是一致的。在VS中是自带了该控件的，但一般需要在工具箱中添加Microsoft Communications control 6.0。需要说明的是，该控件调用和控制的是PC机系统中的串口通信模块。如果操作系统中缺乏这些模块，是无法使用该空间的功能，并且在软件使用中也会报错。

首先根据TT20使用手册，对串口通信的控制信号有一定的时序要求。其中核心的是，需要控制串口的DTR接口的控制时序，需要保持50～500 ms的低电平来发送控制命令，然后仪器端返回实时的测量数据。软件中添加计时来实现对DTR的控制，利用延时程序来保证其实际要求。

2.4 数据的处理和输出

通过串口获得的数据通过类型转换存储在数组中。数据处理的数学方法是最小二乘法。另外，根据设计要求，还需要计算采样点到最终的拟合直线的最大距离，作为检测的最大值。

3 试验验证

3.1 实验验证

对一块尺寸为500 mm×500 mm的大理石直角尺，采用改造后的垂直度检查仪重复测量10次。实验结果部分数据如表1所示。

表1 实验数据

3.2 不确定度分析评定

1）得到本次实验垂直度误差测量列，如表2所示。

实验标准差

则

2）直角尺检查仪电感测微头的示值误差引起的不确定度分量u2及自由度v2

分度值为0.001 mm的电感测微头在任意30分度内的示值误差为±0.2 μm。按均匀分布，其相对不确定度为10%，则

3）大理石平板本身平面度的示值误差引起的不确定度分量u3及自由度v3

平板工作面平面度偏差，1 000 mm直线上的误差一般在5 mm以内，服从均匀分布，半宽度a=5 mm，包含因子。

4）合成标准不确定度u(a)：

自由度为

5）扩展不确定度

取置信概率p=95%，查t分布表得到：

扩展不确定度U95为

测量不确定度的表示：

4 结语

经查阅直角尺检定规程，00级500 mm大理石直角尺的垂直度允许误差为3 μm，因此，本次评定的不确定度小于允差的1/3，因此该方法可行有效，满足JJG 7-2004《直角尺》检定规程要求。

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Automatic transformation design based on KUNZ verticality instrument

Chang Luping，Chen Xin，Chen Hao
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The paper introduces one kind of transformation is based on the KUNZ verticality tester. Through the drive system, the DC motor is used to pull the steel belt to measure the movement of the baffle from the top to bottom, so as to complete the whole measurement process. In the measurement process, the data collected by the inductance instrument is transmitted to the computer through a special data line, and the software is used to analyze and calculate the data. After the evaluation of the uncertainty, the measurement results meet the requirements of the JJG 7-2004Square Verification Regulations.

verticality tester; automation; design