CN102607503A - 基于倾角传感器的直线度测量仪及其直线度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾角传感器的直线度测量仪，包括测量平台和控制装置两部分。本发明还公开了一种基于倾角传感器的直线度测量方法，当步进电机转动带动皮带轮逆时针转动时，驱动测量桥板沿导轨的导向槽向右做直线运动，测量桥板上的磁性开关每经过一个磁柱所在位置时，磁性开关动作一次，此动作产生的开关量信号由下位机接收，同时将此时倾角传感器拾取的该位置的倾角信号采集，从而获得一系列坐标点的数据，当测量桥板向右移动至碰到限位开关时，一个位置的测量结束，下位机完成数据采集，传送至上位机并经过测量软件处理，得到被测直线段的直线度评价结果。

Description

基于倾角传感器的直线度测量仪及其直线度测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种基于倾角传感器的直线度测量仪，本发明还涉及利用该装置进行直线度测量的方法。

背景技术

直线度测量是几何量计量领域里一个最基本的项目，它是平面度、平行度、同轴度等几何量测量的基础，是与尺寸精度、圆度和表面粗糙度同称为影响产品质量的四大要素之一，在生产实践中受到高度重视。直线度测量主要是测量圆柱体和圆锥体的母线直线度误差、机床和其他机器的导轨面以及工件直线导向面的直线度误差等。

直线度测量是长度计量技术的重要内容之一。常用的测量方法有直尺法(用直尺、平尺等以光隙法和指示表法等进行测量)、准直法(利用光学准直望远系统测量直线度误差)、重力法(利用液体自动保持水平或重物自动保持铅直的重力现象测量直线度)和直线法(利用钢丝和激光束等测量直线度)等。

以上所述的几种直线度测量方法或者存在自动化程度低、主观误差大、测量精度低、测量效率低等不足，或者存在操作繁琐、性价比不高等缺点，所以，探索一种测量效率高、测量精度高、使用方便、性价比合理的直线度测量方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于倾角传感器的直线度测量仪，解决现有直线度测量技术中存在的测量效率低、测量自动化程度不高、测量结果的人为因素影响大等问题。

本发明的另一目的是提供一种基于倾角传感器的直线度测量方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于倾角传感器的直线度测量仪，包括测量平台和控制装置两部分，

所述的测量平台包括导轨，导轨的上表面两端各设置有一皮带轮，两个皮带轮之间传动连接有皮带，在导轨的同一端设置有卷尺式收线器与步进电机，步进电机与该侧皮带轮传动连接，导轨上部间隔设置有多个数量的磁柱；导轨沿纵向的一段开有上下通透的导向槽，导向槽中安装有测量桥板，测量桥板通过连接螺杆与皮带连接，测量桥板上安装的倾角传感器和磁性开关引出的排线与皮带固定连接；导轨的另一端下表面连接有燕尾槽，该燕尾槽中安装有滑动垫块；导轨的导向靠近槽步进电机一端设置有限位开关A，滑动垫块朝向步进电机一端侧设置有限位开关B，

控制装置包括下位机，下位机分别与上位机、显示器和控制面板连接；下位机通过排线分别与倾角传感器、磁性开关连接；下位机还分别与限位开关A、限位开关B、步进电机、以及卷尺式收线器连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种基于前述的直线度测量仪的直线度测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、检测前的准备工作

1.1)上电检查，观察直线度测量仪的控制部分初始化是否正常，若状态正常，关闭电源，将测量平台放置于需要测量对象的指定直线上；

1.2)将测量桥板置于导轨的导向槽中，使测量桥板位于导向槽内同时注意测量桥板与压线板之间的排线处于松弛状态；

1.3)将测量平台与控制部分的电源线及信号线连接完毕后，再次上电检查，若无异常，使测量桥板到达起始测量位置，即测量桥板运动到限位开关A触发时的位置，至此，准备工作完成；

步骤2、进行直线度测量：

2.1)数据采集：上位机发送测量命令给下位机，下位机发出信号启动步进电机，步进电机驱动皮带带动测量桥板水平移动，测量桥板上的倾角传感器与磁性开关随皮带一起移动，磁性开关每经过一个磁柱所在位置，便被吸合一次，将相应时刻的倾角传感器的数据进行采集，即可获得原始的测量数据，这一系列数据即时通过排线传输至下位机，构成测量数据集合，将这些数据存储于下位机；待测量范围内指定被测点的原始数据采集完毕，步进电机返回到初始测量位置并停止运动，完成一个测量范围；再将测量平台移动至下一段位置继续测量，直至所规划的测量结束；

2.2)数据传输：下位机将本次测量原始数据传输给上位机并显示传送状态直至数据传输结束；

2.3)数据处理：上位机将线位移-角位移原始数据组成的坐标换算为直角坐标，采用最小二乘法进行直线拟合，得出被测直线段的拟合直线，给出相关测量结果。

本发明的有益效果是，测量装置结构简单，易于实施，安装携带方便，可自定义测量范围等特点；测量过程可实现自动化，数据分析处理由测量软件实现，能够保证精度，测量效率显著提高。本发明方法能够快速准确地测得确定位置的坐标值，该坐标并非传统的平面位移笛卡儿坐标，而是线位移量和角位移量组成的坐标，根据依次获得的这一系列坐标数据，便可描绘出被测母线、直线导引面等的实际形状，再经过软件分析处理，得出合理的结果评价。

附图说明

图1本发明基于倾角传感器的直线度测量仪及方法的原理框图；

图2是本发明的直线度测量仪中的测量平台的结构示意图；

图3是本发明的直线度测量仪中测量桥板的结构示意图，其中，图a是倾角传感器在测量桥板上的安装示意图，图b是磁性开关在测量桥板上的安装示意图；

图4是本发明的直线度测量仪中的测量桥板与导轨配合示意图；

图5是本发明的直线度测量仪中测量桥板、导轨及滑动垫块之间的连接关系示意图，其中图a是测量桥板、导轨及滑动垫块三者连接示意图，图b是导轨及滑动垫块之间连接示意图，图c是测量桥板、导轨之间连接俯视图；

图6是本发明实施例中的被测对象各个被测点的实际坐标、相应的拟合直线及直线度误差示意图。

图中，1.支架，2.带轮A，3.皮带，4.压紧螺母，5.连接螺杆，6.限位开关A，7.带轮B，8.步进电机，9.导轨，10.磁柱，11.测量桥板，12.限位开关B，13.滑动垫块，14.倾角传感器，15.磁性开关，16.测量平台，17.下位机，18.上位机，19.显示器，20.控制面板，21.锁紧螺钉，22.卷尺式收线器，23.压线板，24.排线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，本发明的基于倾角传感器的直线度测量仪工作原理是，包括测量平台16和控制装置两部分，在测量平台16上分别设置有拾取传感信号的倾角传感器14、磁性开关15、驱动测量运动的步进电机8、以及卷尺式收线器22；

控制部分包括下位机17、上位机18、显示器19(LCD显示器)和控制面板20，下位机17分别与上位机18、显示器19和控制面板20同时连接；下位机17通过数据线与步进电机8连接；下位机17还通过排线24同时与倾角传感器14、磁性开关15连接，完成数据传输。

图1中的各模块之间的关系以信息流(数据流和控制流)的形式进行描述，卷尺式收线器22是测量仪测量过程中必要的辅助装置(收线、放线)，但它与其它各模块之间无信息交换，所以在图1中没有示出。

如图2，本发明装置中的测量平台16上的具体结构是，包括导轨9，导轨9的上表面两端各设置有一支架1，这两个支架1上分别安装有皮带轮A2和皮带轮B7，皮带轮A2和皮带轮B7之间传动连接有皮带3，皮带轮B7与步进电机8传动连接，卷尺式收线器22与步进电机8设置在导轨9的同一端，导轨9沿纵向的一段开有上下通透的导向槽(给测量桥板11导向，如图5(a)、图5(c)所示，其长度与最大有效长度相匹配)，导轨9的最大有效长度为1000mm，导轨9的左半边500mm部分(皮带轮A2所在一端)下表面连接有燕尾槽，该燕尾槽安装有间隙配合的滑动垫块13(参照图5(b))，从而可在500～1000mm范围内调节测量范围(若测量范围超过1000mm，可预先规划好若干个首尾相接的测量位置，一个位置的直线度测量数据采集结束后，测量平台依次移动到新的测量位置，继续采集数据，直至数据采集完成)，滑动垫块13的位置确定后，由锁紧螺钉21锁紧在导轨9上，这样就能够实现较大范围的直线度测量。导轨9上部每隔10mm钻一盲孔，在每个盲孔中安装一个磁柱10(共装有101个磁柱10)，导向槽中安装有测量桥板11(两者为间隙配合)，测量桥板11上通过铰链与连接螺杆5连接，连接螺杆5通过压紧螺母4与皮带3连接，同时从测量桥板11上安装的倾角传感器14、磁性开关15的电源线、信号线均由排线24引出，该排线24通过压线板23与皮带3固定连接，测量桥板11与压线板23之间的排线24处于松弛状态，压线板23与卷尺式收线器22之间的排线24处于拉直状态。导轨9的导向槽右端(步进电机8一端)设置有限位开关A6，滑动垫块13的右端侧(朝向步进电机8)设置有限位开关B12，用于限制测量桥板11的右端和左端移动极限，使得步进电机8及时停止工作。锁紧螺钉21起锁紧固定作用，也就是将滑动垫块13与导轨9固定在一起，这样，当测量桥板11运动到限位开关B12位置撞击触发时，防止滑动垫块13与导轨9之间产生滑动。

结构工作时，见图2，当步进电机8转动带动皮带轮B7逆时针转动时，就可以驱动测量桥板11沿导轨9的导向槽向右做直线运动，此时安装于测量桥板11上的磁性开关15每经过一个磁柱10所在位置时，磁性开关15动作一次，此动作产生的开关量信号由下位机17接收，同时将此时倾角传感器14拾取的该位置的倾角信号采集，从而获得一系列坐标点的数据，在此过程中，卷尺式收线器22处于收线状态，当测量桥板11向右移动至碰到限位开关A6时，一个位置的测量结束，步进电机8反转，使测量桥板11复位，此时收线器22放线，当向左移动至限位开关B12时，步进电机8停转，整个测量结束或等待下一个位置的测量。

参照图3、图4，倾角传感器14与磁性开关15安装于测量桥板11上，当电机驱动带动测量板桥11移动时，每经过10mm磁性开关15就被相应位置的磁柱10吸合一次，从而实现单位长度的位移信号的拾取。磁性开关15与倾角传感器14拾取的各个相同时刻的两路传感信号通过排线24输送至下位机17完成数据采集，传送至上位机18并经过测量软件处理，可获得各个采样时刻的线位移-角位移坐标数据点集合，将这一系列坐标点按算法模型进行处理转换，依次连线就可得到被测对象的(母线、引导直线)轮廓，对此进行相应的数据处理，就能得到被测直线段的直线度评价结果。

本发明的基于倾角传感器的直线度测量方法，利用上述的直线度测量仪，按照以下步骤实施：

步骤1、检测前的准备工作

1.1)上电检查，观察控制部分初始化是否正常，若状态正常，关闭电源，将测量平台16放置于需要测量对象的指定直线上。

1.2)参照图2、图4和图5将测量桥板11置于导轨9的导向槽中，注意要使测量桥板11位于导向槽内同时注意测量桥板11与压线板23之间的排线24处于松弛状态。

1.3)将测量平台16与控制部分的电源线及信号线连接完毕后，再次上电检查，若无异常，使测量桥板11到达起始测量位置(位于步进电机8一侧，即测量桥板11运动到限位开关A6触发时的位置)，至此，准备工作完成。

步骤2、进行直线度测量：

2.1)数据采集：如图1，上位机18发送测量命令给下位机17，下位机17发出信号启动步进电机8，步进电机8驱动皮带3带动测量桥板11水平移动，测量桥板11上的倾角传感器14与磁性开关15随皮带3一起移动，磁性开关15每经过一个磁柱10所在位置，便被吸合一次，将相应时刻的倾角传感器14的数据进行采集，即可获得原始的测量数据，这一系列数据即时通过排线24传输至下位机17，构成测量数据集合，将这些数据存储于下位机17、并在显示器19上实时显示当前值；待测量范围内指定被测点的原始数据采集完毕，步进电机8返回到初始测量位置并停止运动，完成一个测量范围。(当被测对象的长度比测量仪的测量范围长时，可预先规划好若干个首尾相接的测量位置，一个位置的直线度测量数据采集结束后，测量平台依次移动到新的测量位置，继续采集数据，直至数据采集完成)再将测量平台16移动至下一段位置继续测量，直至所规划的测量结束；

2.2)数据传输：上位机18发送原始数据上传命令，下位机17将本次测量原始数据(通过USB接口)传输给上位机18并显示传送状态直至数据传输结束。

2.3)数据处理：上位机18将线位移-角位移原始数据组成的坐标换算为直角坐标，采用最小二乘法进行直线拟合，得出被测直线段的拟合直线并显示在LED的显示器19的屏幕上。还可以根据需要经进一步处理，给出其它相关测量结果并输出测量报表。

数据处理的具体过程包括以下步骤：

2.3.1)将线位移-角位移坐标转换为位置直角坐标(如图6)

2.3.1.1)，将被检测的对象(直线)记为AB，其中的始点坐标为A(x_A，y_A)，终点坐标为B(x_B，y_B)。

2.3.1.2)，对原始数据进行转换，即将测量采集得到的线位移-角位移坐标点集合{(x_n，a_n)}转换为二维线位移笛卡儿坐标点集合{(x_n，y_n)}。数据转换时，与测量桥板11一起移动的磁性开关15第一次吸合的位置设定为测量起始点，该点的线位移-角位移坐标为(0，0°)，其转换坐标为(0，0)，在此前提下，对于相邻两点位置坐标，后一点坐标与前一点坐标满足公式(a)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=x_n+d=n\·d\\ y_{n+1}=y_n+d\·\tan {\mathrm{\α}}_n\end{array}\right.---\left(a\right)$

x_n是测量桥板11到达第n个磁性开关(即第n个采样点)处所对应位移量，

a_n是倾角传感器14在第n个采样点处的原始数据采样值，

d是相邻采样间隔之间的测量位移(当量)。

根据公式(a)，就将全部原始数据(x_n，a_n)转换为被测轮廓的位置坐标(x_n，y_n)，数据处理过程中，起始点A的原始数据值和转换坐标值均设为(0，0)。

2.3.2)线性拟合

利用最小二乘法对AB段上的位置坐标数据进行线性拟合。

首先，在全量程范围内获取原始数据(x_i，a_i)，其中i＝1，2，...，N；N为采样总点数；

其次，经转换得到位置坐标数据序列{(x_i，y_i)}，其数据总数仍为N：

再次，将上述数据进行最小二乘直线拟合，得出该段拟合直线方程：

AB段方程为：y＝b₀+b₁x                    (b)

式中 $b_1=\frac{N\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{N\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2},$ $b_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{N}-b_1\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{N}.$

根据以上拟合的直线方程，就能得出被测某直线段的直线度，最终给出评价结果。

图6是本发明实施例中的被测对象(轴线、母线等)各个被测点的实际坐标(图中的离散点)、相应的拟合直线(图中的线段AB)及直线度误差(图中的两条虚线之间的距离)。

本发明的直线度测量仪和直线度测量方法，结构简单，操作方便，自动化程度高，评价客观；既经济又便携，便于拆装，适用范围广，而且测量效果满足检测要求，效率高，精度高。

Claims (7)

1.一种基于倾角传感器的直线度测量仪，其特征在于：包括测量平台(16)和控制装置两部分，

所述的测量平台(16)包括导轨(9)，导轨(9)的上表面两端各设置有一皮带轮，两个皮带轮之间传动连接有皮带(3)，在导轨(9)的同一端设置有卷尺式收线器(22)与步进电机(8)，步进电机(8)与该侧皮带轮传动连接，导轨(9)上部间隔设置有多个数量的磁柱(10)；导轨(9)沿纵向的一段开有上下通透的导向槽，导向槽中安装有测量桥板(11)，测量桥板(11)通过连接螺杆(5)与皮带(3)连接，测量桥板(11)上安装的倾角传感器(14)和磁性开关(15)引出的排线(24)与皮带(3)固定连接；导轨(9)的另一端下表面连接有燕尾槽，该燕尾槽中安装有滑动垫块(13)；导轨(9)的导向靠近槽步进电机(8)一端设置有限位开关A(6)，滑动垫块(13)朝向步进电机(8)一端侧设置有限位开关B(12)，

控制装置包括下位机(17)，下位机(17)分别与上位机(18)、显示器(19)和控制面板(20)连接；下位机(17)通过排线(24)分别与倾角传感器(14)、磁性开关(15)连接；下位机(17)还分别与限位开关A(6)、限位开关B(12)、步进电机(8)、以及卷尺式收线器(22)连接。

2.根据权利要求1所述的直线度测量仪，其特征在于：所述的测量桥板(11)与连接螺杆(5)一端铰接，连接螺杆(5)另一端与皮带(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的直线度测量仪，其特征在于：所述的测量桥板(11)与压线板(23)之间的排线(24)处于松弛状态，压线板(23)与卷尺式收线器(22)之间的排线(24)处于拉直状态。

4.根据权利要求1所述的直线度测量仪，其特征在于：所述的导轨(9)上部每隔10mm设置一盲孔，在每个盲孔中安装一个磁柱(10)。

5.一种基于权利要求1、2、3或4所述的直线度测量仪的直线度测量方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、检测前的准备工作

1.1)上电检查，观察直线度测量仪的控制部分初始化是否正常，若状态正常，关闭电源，将测量平台(16)放置于需要测量对象的指定直线上；

1.2)将测量桥板(11)置于导轨(9)的导向槽中，使测量桥板(11)位于导向槽内同时注意测量桥板(11)与压线板(23)之间的排线(24)处于松弛状态；

1.3)将测量平台(16)与控制部分的电源线及信号线连接完毕后，再次上电检查，若无异常，使测量桥板(11)到达起始测量位置，即测量桥板(11)运动到限位开关A(6)触发时的位置，至此，准备工作完成；

步骤2、进行直线度测量：

2.1)数据采集：上位机(18)发送测量命令给下位机(17)，下位机(17)发出信号启动步进电机(8)，步进电机(8)驱动皮带(3)带动测量桥板(11)水平移动，测量桥板(11)上的倾角传感器(14)与磁性开关(15)随皮带(3)一起移动，磁性开关(15)每经过一个磁柱(10)所在位置，便被吸合一次，将相应时刻的倾角传感器(14)的数据进行采集，即可获得原始的测量数据，这一系列数据即时通过排线(24)传输至下位机(17)，构成测量数据集合，将这些数据存储于下位机(17)；待测量范围内指定被测点的原始数据采集完毕，步进电机(8)返回到初始测量位置并停止运动，完成一个测量范围；再将测量平台(16)移动至下一段位置继续测量，直至所规划的测量结束；

2.2)数据传输：下位机(17)将本次测量原始数据传输给上位机(18)并显示传送状态直至数据传输结束；

2.3)数据处理：上位机(18)将线位移-角位移原始数据组成的坐标换算为直角坐标，采用最小二乘法进行直线拟合，得出被测直线段的拟合直线，给出相关测量结果。

6.根据权利要求5所述的直线度测量方法，其特征在于，当被测对象的长度比测量仪的测量范围长时，可预先规划好若干个首尾相接的测量位置，一个位置的直线度测量数据采集结束后，测量平台依次移动到新的测量位置，继续采集数据，直至数据采集完成。

7.根据权利要求5所述的直线度测量方法，其特征在于，所述的数据处理的具体过程包括以下步骤：

2.3.1)将线位移-角位移坐标转换为位置直角坐标；

2.3.1.1)，将被检测的对象段记为AB，其中的始点坐标为A(x_A，y_A)，终点坐标为B(x_B，y_B)；

2.3.1.2)，对原始数据进行转换，即将测量采集得到的线位移-角位移坐标点集合{(x_n，a_n)}转换为二维线位移笛卡儿坐标点集合{(x_n，y_n)}；数据转换时，与测量桥板(11)一起移动的磁性开关(15)第一次吸合的位置设定为测量起始点，该点的线位移-角位移坐标为(0，0°)，其转换坐标为(0，0)，在此前提下，对于相邻两点位置坐标，后一点坐标与前一点坐标满足公式(a)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=x_n+d=n\·d\\ y_{n+1}=y_n+d\·\tan {\mathrm{\α}}_n\end{array}\right.---\left(a\right)$

x_n是测量桥板(11)到达第n个磁性开关处所对应位移量，

a_n是倾角传感器(14)在第n个采样点处的原始数据采样值，

d是相邻采样间隔之间的测量位移，

根据公式(a)，就将全部原始数据(x_n，a_n)转换为被测轮廓的位置坐标(x_n，y_n)，数据处理过程中，起始点A的原始数据值和转换坐标值均设为(0，0)；

2.3.2)线性拟合

利用最小二乘法对AB段上的位置坐标数据进行线性拟合，

首先，在全量程范围内获取原始数据(x_i，a_i)，其中i=1，2，...，N；N为采样总点数；

其次，经转换得到位置坐标数据序列{(x_i，y_i)}，其数据总数仍为N：

再次，将上述数据进行最小二乘直线拟合，得出该段拟合直线方程：

AB段方程为：y＝b₀+b₁x                (b)

其中， $b_1=\frac{N\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{N\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2},$ $b_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{N}-b_1\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{N}.$

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