CN101806582B - 基于步进电机的量块自动检定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于步进电机的量块自动检定装置，包括，处理电路与计算机相连接，步进电机单元的输入端连接处理电路，输出端连接测量工作台用于驱动测量工作台，激光干涉仪和电感测头分别夹持在测量工作台上，用于对被测量块的检测，其中的激光干涉仪与计算机相连将所测信号送入计算机，电感测头与处理电路相连将所测信号送入处理电路；温度传感器设置在测量工作台上的被测量块上，并与处理电路相连将被测量块的温度送入处理电路。本发明实现了自动化检定量块的需求。本发明实现了“一对多”，“点对点”的检定方法，降低了成本；实现了自动更换测量点、自动进行温度补偿和自动处理数据，提高了测量效率并且可以减小人为因素对测量过程的影响。

Description

基于步进电机的量块自动检定装置

技术领域

本发明涉及一种量块自动检定装置，特别是涉及一种由计算机和单片机控制的基于步进电机的量块自动检定装置。

背景技术

传统的二等量块检定装置是指用二等量块作标准，通过乌式干涉仪、光学计或其它类型的比较仪来检定三等量块的全套装置。目前大多数计量机构用的接触式干涉仪，是以光波干涉原理为基础，将微小尺寸变化转换成干涉条纹的移动和测量的方法。这种方法存在以下不足：(1)手动移动量块，更换不同的测量点，容易带来温度变化，影响测量精度，而且量块受力不均匀，表面容易产生划痕，影响量块的使用寿命；(2)只能进行“一对一”的测量，即一个标准块对应一个被检量块，这样大大限制了检定效率的提高，而且需要大量的标准量块，增加计量成本；(3)由于只使用一个测头，测量的是点到面的距离，不能完全符合JJG_146-2003中对量块长度的定义(量块一个测量面上的任意点到与其相对的另一个测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离)；(4)人工方式估读测量数据，容易产生误差，手动记录参数，对量块进行评定，工作量大，且对测量人员的技能要求较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过步进电机更换测量点、双测头实现“点对点”、“一对多”测量，并附加温度补偿修正偏差的基于步进电机的量块自动检定装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于步进电机的量块自动检定装置，包括有计算机、激光干涉仪、温度传感器、处理电路、步进电机单元、载有被测量块和标准块的测量工作台以及电感测头，其中，所述的处理电路与计算机相连接，所述的步进电机单元的输入端连接处理电路，输出端连接测量工作台用于驱动测量工作台，所述的激光干涉仪和电感测头分别夹持在测量工作台上，用于对被测量块的检测，其中的激光干涉仪与计算机相连将所测信号送入计算机，电感测头与处理电路相连将所测信号送入处理电路；所述的温度传感器设置在测量工作台上的被测量块上，并与处理电路相连将被测量块的温度送入处理电路。

所述的激光干涉仪包括有激光干涉仪电气箱和用于夹持在测量工作台上的激光干涉仪测头。

所述的处理电路包括有单片机，分别与单片机相连的温度传感电路、微位移处理电路、RS232通信接口和步进电机控制接口。

所述的微位移处理电路包括有依次连接的集成处理电路、放大调理电路和AD转换电路。

所述的步进电机单元包括有与处理电路相连的步进电机驱动器，由步进电机驱动器驱动的步进电机，以及由步进电机驱动的用于驱动测量工作台的步进电机移动平台。

所述的测量工作台包括有：门形框架，设置在门形框架下端的测量平台，一端被支撑在测量平台上面另一端固定在步进电机单元上的用于放置被测量块的钢板，以及V型轨道和沿V型轨道上下移动的用于支撑激光干涉仪测头的支撑架，所述的V型轨道通过摇杆悬挂在门形框架内的中部，所述的摇杆的一端连接V型轨道，另一端贯穿门形框架的顶端连接摇柄，所述的支撑架与测量平台对应设置。

所述的测量平台形成有纵向贯通孔，所述的电感测头贯穿测量平台的贯通孔用于测量被测量块。

所述的钢板在对应于测量平台处并排开有标准量块槽和被检量块槽，在对应步进电机单元中的步进电机移动平台处开有用于与步进电机移动平台固定的螺丝孔。

本发明的基于步进电机的量块自动检定装置，在悬臂梁机械结构的基础上，以德国SIOS公司的LM20激光干涉仪测头为上测头，以瑞士TESA公司的GT22HP电感测头为下测头，卓力汉光公司TSA50-C型二维步进电机带动量块移动更换5个测量点，通过MSP430单片机处理下测头位移信号和控制步进电机工作，将量块表面温度和下测头的微位移变化传到计算机。计算机负责协调上下测头的上下移动及步进电机的启停，实现了自动化检定量块的需求。本发明实现了“一对多”，“点对点”的检定方法，降低了成本；实现了自动更换测量点、自动进行温度补偿和自动处理数据，提高了测量效率并且可以减小人为因素对测量过程的影响。

附图说明

图1是本发明的基于步进电机的量块自动检定装置总体构成框图；

图2是本发明的基于步进电机的量块自动检定装置整体结构示意图；

图3是步进电机所加载的钢板的结构示意图；

图4是本发明中的处理电路构成框图；

图5是本发明中量块自动检定系统软件采用的功能模块组成图；

图6是本发明中温度传感电路原理图；

图7是本发明中微位移处理电路框图；

图8是微位移处理电路的AD698集成处理模块电路原理图；

图9是微位移处理电路的信号调理模块电路原理图；

图10是微位移处理电路的片外24位AD转换模块；

图11是MSP430单片机与计算机的串口通信接口电路原理图；

图12是本发明中MSP430单片机控制步进电机模块的接口电路原理图。

其中：

1：计算机              2：激光干涉仪

3：温度传感器          4：处理电路

5：步进电机单元        6：测量工作台

7：电感测头            8：步进电机驱动器

9：步进电机            10：步进电机移动平台

11：标准量块和被检量块 12：V形轨道

13：摇柄               14：测量平台

15：支撑架             16：摇杆

17：钢板               18：标准量块槽

19：被检量块槽         20：螺丝孔

21：单片机             22：RS232通信接口

23：步进电机控制接口    24：微位移处理电路

25：温度传感电路        26：激光干涉仪电气箱

27：激光干涉仪测头      28：集成处理电路

29：放大调理电路        30：AD转换电路

31：门形框架

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的基于步进电机的量块自动检定装置是如何实现的。

如图1所示，本发明的基于步进电机的量块自动检定装置，包括有计算机1、激光干涉仪2、温度传感器3、处理电路4、步进电机单元5、载有被测量块和标准块的测量工作台6以及电感测头7，其中，所述的处理电路4通过RS232与计算机1相连接，所述的步进电机单元5的输入端连接控制步进电机工作的处理电路4，输出端连接测量工作台6用于驱动测量工作台6，所述的激光干涉仪2和电感测头7分别夹持在测量工作台6上，用于对被测量块的检测，其中的激光干涉仪2与计算机1相连将所测信号送入计算机1，电感测头7与处理电路4相连将所测信号送入处理电路4；所述的温度传感器3设置在测量工作台6上的被测量块上，并与处理电路4相连将被测量块的温度送入处理电路4。

如图2所示，所述的激光干涉仪2采用型号为LM20的激光干涉仪，包括有激光干涉仪电气箱26和用于夹持在测量工作台6上的激光干涉仪测头27。激光干涉仪电气箱26负责将量块长度变化量、温度、大气压等参数采集、处理后传递到计算机1。激光干涉仪测头和型号为GT22HP的电感测头7配合，可以实现“点对点”测量。由于LM20激光干涉仪测头伸长18mm时，由电子内差所带来的误差不超过±3nm，所以可以用一个标准量块来检定一组被检量块，即进行“一对多“的测量。

所述的GT22HP电感测头7，负责采集量块下表面到测量零点的微小位移变化，微小信号送往处理电路进行处理。

所述的型号为PT100的温度传感器，捕获两路温度变化信号，其中一路是测量标准量块表面温度信号，另一路是测量被检量块表面温度信号，并送往处理电路进行处理。

所述的步进电机单元5包括有与处理电路4相连的由雷赛公司生产的型号为MA335B的步进电机驱动器8，由步进电机驱动器8驱动的由卓力汉光公司生产的TSA50-C型二维步进电机9，以及由步进电机9驱动的用于驱动测量工作台6的步进电机移动平台10。

所述的步进电机驱动器8是用来提高功率，进行脉冲分配，保证步进电机正常工作。二维步进电机9是用来保证量块在一个平面内顺畅移动。步进电机移动平台10上边需要装载着带有量块槽的钢板17，用来移动量块。

所述的测量工作台6包括有：门形框架31，设置在门形框架31下端的测量平台14，一端被支撑在测量平台14上面另一端固定在步进电机单元5中的步进电机移动平台10上的用于放置被测量块的钢板17，以及V型轨道12和沿V型轨道12上下移动的用于支撑激光干涉仪测头27的支撑架15，所述的V型轨道12通过摇杆16悬挂在门形框架31内的中部，所述的摇杆16的一端连接V型轨道12，另一端贯穿门形框架31的顶端连接摇柄13，所述的支撑架15与测量平台14对应设置。

所述的测量平台14形成有纵向贯通孔，所述的电感测头7贯穿测量平台14的贯通孔用于测量被测量块。

具体地，先在步进电机移动平台10上用四个螺丝固定一个钢板17，伸向测量工作台6下部的一个测量平台14上，钢板17的底面与测量平台14距离很近但不接触；装载标准量块和被检量块11时，顺时针旋转摇柄13，摇杆16转动抬升支撑架15沿V形轨道12移动一段距离，将选定好的的标准量块和被检量块分别放进步进电机加载钢板17上的标准量块槽18和被检量块槽19中，然后逆向旋转摇柄，使上端的激光干涉仪测头27完全伸长后能接触到量块的上表面。下端的电感测头7稍微露出测量平台0.3μm，与量块下表面接触；计算机发送指令，处理电路4控制步进电机驱动器8工作，驱动二维步进电机9复位到达第一个测量点，测量时，计算机控制软件对激光干涉电气箱26发送指令，启动上端的激光干涉仪测头27内部的马达，驱动测头测杆上下移动，以便和量块充分接触，LM20激光干涉电气箱发出He-Ne激光，经过光纤传送到激光干涉仪测头，该测头基于麦克尔逊干涉原理制成，它将激光干涉仪测头27移动带来的光信号的变化通过信号线传至激光干涉仪电气箱26，在其内部经光电探测器转换成电信号，进行电子细分后分辨力能达到1nm，还能够对测头的移动方向进行判断，对由温度变化带来的波长的变化进行自动校正，对由温度和大气压带来的测量误差进行补偿。激光干涉仪电气箱26直接溯源到“米”的定义，测量不确定度为10nm，完全可以满足新二等量块检定新三等量块的要求。下端的电感测头7是基于电感变化的为高精度微位移测头，分辨力能达到10nm，测量时单片机处理电路会将电感测头7伸缩所产生的电感量变化转换为位移量变化，通过串口通信，将位移量传至计算机存储和后续处理。在第1个测量点，即标准量块的测量点时，上下测头的数据都被置“0”，第2个到第5个测量点均在被检量块上，步进电机带动量块到达设定的位置，得到的数值是被检量块与标准量块的比较值。其中第2个测量值主要用来判定等，其它四个测量值是用来判定级。所有数据在量块自动检定系统软件中计算处现，计算机1自动给出量块的评定等级，打印检定记录及证书，完成量块的识别、检定、报告的全过程。

如图3所示，所述的钢板20在对应于测量平台14处并排开有标准量块槽18和被检量块槽19，在对应步进电机单元5中的步进电机移动平台10处开有用于与步进电机移动平台10固定的螺丝孔20。钢板17通过四个螺丝固定在步进电机移动平台上。步进电机带动钢板用来推动量块移动，当到达测量点时，量块上表面正对LM20激光干涉仪测头，下表面能接触到下端的GT22HP电感测头7。

如图4所示，所述的处理电路4，负责采集两路温度信号，采集GT22HP电感测头7的信号，向步进电机驱动器8发送脉冲和控制命令，并和计算机1通信。包括有型号为MSP430的单片机21，分别与单片机21相连的温度传感电路25、微位移处理电路24、RS232通信接口22和步进电机控制接口23。所述的温度传感处理电路用来提取两路温度信号，微位移处理电路用来提取GT22HP电感测头所感触到的被检量块下表面相对于标准量块下表面长度的比较值。RS232通信接口负责单片机与计算机之间的通信。步进电机通信接口负责产生两路方向控制信号和两路脉冲信号。

如图5所示，本发明的基于步进电机的量块自动检定装置，所述的计算机装配有为本测量系统专门制作的量块自动检定系统软件，计算机控制软件是配合二维步进电机移动量块更换测量点的量块自动检定为目的进行设计编写的，软件具有良好交互特性的界面，功能齐全，运行流畅，也可与网络上的动态数据相联接。它有新建任务、上测头控制、下测头控制、步进电机控制、实时显示、数据处理、打印证书、不确定度分析、测量控制九个模块功能。

本软件是用Delphi7.0软件开发的专用于量块检定控制软件，适合在WinXP/Win2000/Vista系统中运行，具有实时显示数据、自动评定量块等级、打印检定证书等功能。软件能协调在不同测量点时上下测头的伸缩，步进电机移动量块时的启停，控制MSP430单片机对温度信号和下测头微位移信号的采集。实现对测量数据的存储与实时显示、测试报告的自动生成和按可编辑的模板打印、测试任务的分类查询、检测帮助等，软件可预先输入精度等级和公差值，计算机自动给出量块的评定等级，实现了量块的自动检定。

如图6所示，所述的两路温度传感处理电路用两个PT100电阻来感应外界温度变化，先搭建两个电路桥，然后将PT100电阻分得的电压信号和100欧姆固定阻值电阻的分压信号传送到多路选择器CD4052B，由MSP430单片机的P4.0和P4.1管脚控制将两组电压信号(IN0+、IN0-和IN1+、IN1-)的一组选通，然后将两路信号电压差经可调放大器AD620放大后送往MSP430单片机的片内12位AD进行数据采集、处理后转换成温度值，JP4插座中的的四个插针用于连接两个铂电阻的两端，IN0+和AGND之间接一个，IN1+和AGND之间接另一个。

如图7所示，所述的微位移处理电路24包括有依次串联的集成处理电路28、放大调理电路29和AD转换电路30。

如图8所示，所述的集成处理电路，包括有型号为AD698的集成芯片，工作原理是AD698集成芯片本身产生一个稳频、稳幅的正弦波信号，其功能是给电感测头提供激励，电感测头亦会产生一个正弦波，它所反映出测头的伸缩发生微小变化，再经放大、滤波后，在所选的量程范围内会产生一个+5V～-5V的直流电压信号。J703的几个插针，SIN+接电感测头的正输入端，SIN-接电感测头的负输入端，SOUT接电感测头的输出端。

如图9所示，所述的放大调理电路是将集成处理电路中的AD698集成芯片所产生的+5V～-5V直流信号经OP07运算放大器先缩小1倍，然后用减法电路将其转换为-5V～0V，再反向缩放到2.5V～0V之间送往AD处理，后边两个稳压管是过压保护电路，防止输出电压超过3.3V，烧毁后边的AD芯片。

如图10所示，所述的AD转换电路是将放大调理电路所产生的2.5V～0V电压信号转换成数字信号并传送到MSP430单片机中，再还原成位移变化量。

如图11所示，所述的RS232通信接口电路是解决MSP430单片机与计算机接口的电压不匹配问题，可以保证通信正常进行，一方面可以用来由MSP430单片机向计算机传送温度、GT22HP电感测头位移变化信号，另一方面可以用来由计算机向单片机发送控制步进电机启停命令、开始采集温度和位移指令。

如图12所示，所述的步进电机控制接口是向步进电机驱动器发送两路方向信号DIR1(和MSP430单片机P2.0口连接)、DIR2(和MSP430单片机P2.2口连接)和两路脉冲信号PUL1(和MSP430单片机P2.1口连接)、PUL2(和MSP430单片机P2.3口连接)，MSP430单片机管脚的高低可以控制二维步进电机的运动方向。脉冲范围在100HZ～10KHZ之间，而且在启动和停止瞬间采用变加速启动和变减速度停止，防止急速启停给电机带来损坏。

Claims (8)

1.一种基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，包括有计算机(1)、激光干涉仪(2)、温度传感器(3)、处理电路(4)、步进电机单元(5)、载有被测量块和标准块的测量工作台(6)以及电感测头(7)，其中，所述的处理电路(4)与计算机(1)相连接，所述的步进电机单元(5)的输入端连接处理电路(4)，输出端连接测量工作台(6)用于驱动测量工作台(6)，所述的激光干涉仪(2)和电感测头(7)分别夹持在测量工作台(6)上，用于对被测量块的检测，其中的激光干涉仪(2)与计算机(1)相连将所测信号送入计算机(1)，电感测头(7)与处理电路(4)相连将所测信号送入处理电路(4)；所述的温度传感器(3)设置在测量工作台(6)上的被测量块上，并与处理电路(4)相连将被测量块的温度送入处理电路(4)。

2.根据权利要求1所述的基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，所述的激光干涉仪(2)包括有激光干涉仪电气箱(26)和用于夹持在测量工作台(6)上的激光干涉仪测头(27)。

3.根据权利要求1所述的基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，所述的处理电路(4)包括有单片机(21)，分别与单片机(21)相连的温度传感电路(25)、微位移处理电路(24)、RS232通信接口(22)和步进电机控制接口(23)。

4.根据权利要求3所述的基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，所述的微位移处理电路(24)包括有依次连接的集成处理电路(28)、放大调理电路(29)和AD转换电路(30)。

5.根据权利要求1所述的基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，所述的步进电机单元(5)包括有与处理电路(4)相连的步进电机驱动器(8)，由步进电机驱动器(8)驱动的步进电机(9)，以及由步进电机(9)驱动的用于驱动测量工作台(6)的步进电机移动平台(10)。

6.根据权利要求1所述的基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，所述的测量工作台(6)包括有：门形框架(31)，设置在门形框架(31)下端的测量平台(14)，一端被支撑在测量平台(14)上面另一端固定在步进电机单元(5)上的用于放置被测量块的钢板(17)，以及V型轨道(12)和沿V型轨道(12)上下移动的用于支撑激光干涉仪测头(27)的支撑架(15)，所述的V型轨道(12)通过摇杆(16)悬挂在门形框架(31)内的中部，所述的摇杆(16)的一端连接V型轨道(12)，另一端贯穿门形框架(31)的顶端连接摇柄(13)，所述的支撑架(15)与测量平台(14)对应设置。

7.根据权利要求6所述的基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，所述的测量平台(14)形成有纵向贯通孔，所述的电感测头(7)贯穿测量平台(14)的贯通孔用于测量被测量块。

8.根据权利要求6所述的基于步进电机的量块自动检定装置，其特征在于，所述的钢板(17)在对应于测量平台(14)处并排开有标准量块槽(18)和被检量块槽(19)，在对应步进电机单元(5)中的步进电机移动平台(10)处开有用于与步进电机移动平台(10)固定的螺丝孔(20)。 

Images