CN106483049A - 一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置及方法。二维运动平台装在大理石底座上，定位凹槽装载在二维运动平台上固定，通过二维运动平台带动定位凹槽水平双向线性移动，刮板细度计安装在定位凹槽中，电机驱动机构固定在二维运动平台一侧的大理石底座上，纵向运动数据采集机构安装在电机驱动机构上并由电机驱动机构带动上下运动，通过二维运动平台的水平移动使得纵向运动数据采集机构上的传感器探测刮板细度计表面进行检测；由激光位移传感器监控反馈，控制电机驱动机构进行纵向上下移动，粗定位至光谱共焦位移传感器的工作距离范围内，再由光谱共焦位移传感器实现亚微米级精确测量。本发明结构简单，测量效率高，测量结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及校准测量技术，尤其涉及了一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置及方法。
背景技术
刮板细度计是用来测量清漆、油墨、食品等产品中颜料、杂质及填充料的颗粒细度的计量标准器具，其由刮板和刮刀两部分组成。其中刮板由磨光钢板制成，表面开有一条或两条平行于长边的斜槽，斜槽面随着刻在工作面上的等分分度值连续均匀斜凹。目前测量校准刮板斜槽面深度示值误差的方法主要是用电感测微仪配合微型测量台或其他手动移动装置来测量校准。由于电感测微仪测头接触点尺寸较大(mm级)，导致定位不准确；需要经常横向移动测头，磨损测头以及斜槽表面，引入测量误差；人工移动测头，引入额外误差，且人工定位不准确，重复性差，效率低下。
因此，按照现有技术的这种装置及其方法磨损测头，测量重复性差，测量精度低，效率低下。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置及方法。该装置采用非接触测量，克服测头磨损；采用高精度二维运动平台，提高测量点的定位精度；校准过程全自动化，消除人工移动引入的测量误差，从而实现刮板示值误差的可靠高效校准测量。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
包括大理石底座、二维运动平台、定位凹槽、电机驱动机构、纵向运动数据采集机构、PC工控机、运动控制器、数据采集器和单片机，二维运动平台固定安装在大理石底座上，定位凹槽装载在二维运动平台上通过螺丝固定，通过二维运动平台带动定位凹槽作水平双向线性移动，刮板细度计安装在定位凹槽中，电机驱动机构固定在二维运动平台一侧的大理石底座上，纵向运动数据采集机构安装在电机驱动机构上并由电机驱动机构带动上下运动，通过二维运动平台的水平移动使得纵向运动数据采集机构上的传感器探测刮板细度计表面进行检测，以帮助校准；二维运动平台经运动控制器与PC工控机连接，纵向运动数据采集机构经数据采集器与PC工控机连接。
所述的二维运动平台其中一水平直线移动方向与刮板细度计上的斜槽长边方向相平行。
所述的电机驱动机构包括直流电机、滑块、立柱、丝杆和联轴器，丝杆通过机架和立柱竖直安装在二维运动平台一侧的大理石底座上，直流电机的输出轴经联轴器后与丝杆同轴固定连接，滑块通过螺纹套在丝杆上形成丝杠螺母副；所述的纵向运动数据采集机构包括安装板、光谱共焦传感器和激光位移传感器，安装板与滑块固定连接，光谱共焦传感器和激光位移传感器均固定安装在安装板上，光谱共焦传感器和激光位移传感器的探头端均朝向所述二维运动平台上的刮板细度计，由激光位移传感器监控反馈位移信息，控制电机驱动机构进行纵向上下移动，粗定位至光谱共焦位移传感器的工作距离范围内，再由光谱共焦位移传感器实现亚微米级精确测量，光谱共焦传感器和激光位移传感器经各自的数据采集器与PC工控机连接。
所述的激光位移传感器的测量光点和光谱共焦传感器的测量光轴到二维运动平台水平移动平面的投影点之间的连接直线与二维运动平台上的刮板细度计斜槽长边方向相平行。
二、一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准方法，采用上述装置，方法包括如下步骤：
1)将被测的刮板细度计放置于定位凹槽中，使得刮板细度计的斜槽长边方向与二维平台的X运动方向平行，二维平台的Y运动方向与刮板细度计刻度线的方向平行，并使得激光位移传感器的测量光点和光谱共焦传感器的测量光轴到二维运动平台水平移动平面的投影点之间的连接直线与二维平台的X运动方向平行；
2)通过电机驱动机构带动纵向移动数据采集机构上下运动，根据激光位移传感器检测获得和刮板细度计表面的间距进行粗定位，将光谱共焦传感器移动到其工作距离范围内，由光谱共焦传感器采集获得其探头端与刮板细度计表面的距离数据；
3)驱动二维运动平台进行XY两个水平方向运动，使得光谱共焦传感器的光点落在刮板细度计上表面一侧刻度的“0”刻度线延长线上；
4)开始通过驱动二维运动平台移动使得光谱共焦传感器的光点沿以下运动轨迹进行测量：
4.1)首先沿着X正方向运动至刻度最大值，按照刮板细度计的刻度间隔，等间距采集光谱共焦传感器探头端与刮板细度计上表面之间的间距以及对应的二维运动平台X位移值，记为数组L1；
4.2)接着将沿Y方向运动距离，光点落在刮板细度计靠近一侧刻度的斜槽面内后，再沿着X负方向运动回到“0”刻度线所在的直线上，等间距采集光谱共焦传感器探头端与刮板细度计斜槽面之间的间距以及对应的二维运动平台X位移值，记为数组L2；
4.3)然后沿Y方向移动距离，光点落在刮板细度计靠近另一侧刻度的斜槽面边沿后，再沿正X方向移动与步骤4.1)中二维运动平台位移值相同的距离，等间距采集光谱共焦传感器探头端与刮板细度计斜槽面之间的间距以及对应的二维运动平台X位移值，记为数组L3；
4.4)最后沿Y方向移动距离，光点落在刮板细度计上表面另一侧刻度的最大刻度线延长线上，再沿着X负方向回到刮板细度计上表面另一侧刻度的“0”刻度线延长线上，等间距采集光谱共焦传感器探头端与刮板细度计上表面之间的间距以及对应的二维运动平台X位移值，记为数组L4；
5)对步骤4)获得的四组数组进行处理得到校准结果，完成示值误差的自动测量。
所述步骤4)具体是采用以下公式进行计算获得校准结果：
l1＝L2-L1 (1)
l2＝L3-L4 (2)
δ1＝l标-l1 (3)
δ2＝l标-l2 (4)
式中，l1为受检点左侧的实际深度，l2为受检点右侧的实际深度，l标为受检点的标称值，δ1为受检点左侧的示值误差，δ2为受检点右侧的示值误差，δ为受检点的示值误差，取δ1和δ2中绝对值较大的值对应的δ1或δ2；受检点对应刮板细度计的刻度值：10、20、30…100。
以受检点的示值误差δ作为最终结果作为刮板细度计示值误差的校准结果。
本发明的有益效果是：
本发明技术方案能够实现刮板细度计示值误差的非接触自动校准，避免测头磨损，提高测量点的定位精度，免除人工干预，消除人为的定位误差，测量重复性好，效率高，且结构简单，便于制造，使用方便。
附图说明
图1是本发明装置总体工作原理图。
图2是本发明装置的立体图
图3是本发明装置的右视图
图4是本发明装置刮板细度计及定位凹槽的局部放大俯视图
图5是刮板细度计校准运动轨迹示意图。
图中：大理石底座1、二维运动平台2、定位凹槽3、刮板细度计4、纵向运动数据采集机构5、激光位移传感器6、光谱共焦传感器7、滑块8、立柱9、丝杆10、直流电机11、联轴器12、紧固圆孔槽机构13、数据接口14、测量光轴15、测量光点16、定位螺丝17～19。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案的实施方式进行详细说明。
本发明总体工作原理如图1所示。包括大理石底座1、二维运动平台2、定位凹槽3、电机驱动机构、纵向运动数据采集机构5、PC工控机、运动控制器、数据采集器和单片机。系统机械装置主要由基础大理石底座及立柱、安装于底座上的二维运动平台、安装于二维运动平台上的定位凹槽、安装于立柱上的纵向运动数据采集机构组成，水平研磨的大理石平台及垂直安装于平台右上角的立柱构成基础结构。
本装置由上位机工控机进行系统控制及数据处理。将被测刮板细度计装夹定位于二维运动平台上的定位凹槽内后，工控机通过单片机发送指令，驱动纵向运动数据采集系统沿立柱运动，监控激光位移传感器的位移数据，进行粗略定位至光谱共焦传感器的合适工作距离。由上位机发指令，控制二维运动平台按照预设的行程自行运动，数据采集系统实时采集光谱共焦传感器的高低位移信息。光谱共焦传感器的信号与运动平台的位置信息一起上传至上位机工控机，进行数据的自动保存和自动处理，完成整个校准过程。
如图2所示，二维运动平台2固定安装在大理石底座1上，定位凹槽3装载在二维运动平台2上通过螺丝固定，通过二维运动平台2带动定位凹槽3水平双向线性移动，二维运动平台2其中一水平直线移动方向与刮板细度计4上的斜槽长边方向相平行。刮板细度计4通过定位螺丝17～19的三颗定位螺丝旋紧定位安装在定位凹槽3中；电机驱动机构固定在二维运动平台2一侧的大理石底座1上，纵向运动数据采集机构5安装在电机驱动机构上并由电机驱动机构带动上下运动，通过二维运动平台2的水平双向线性移动使得纵向运动数据采集机构5上的传感器探测刮板细度计4表面进行检测，以帮助校准。
具体实施中，定位凹槽3的凹槽宽度略宽于被测刮板细度计4的宽度，定位凹槽3的凹槽长度略长于被测刮板细度计4的长度，定位凹槽3的凹槽深度略小于被测刮板细度计4的高度，以便刮板细度计较容易放置于凹槽中，测量完毕后较容易从凹槽中拿出。
电机驱动机构包括直流电机11、滑块8、立柱9、丝杆10和联轴器12，丝杆10通过机架和立柱9竖直安装在二维运动平台2一侧的大理石底座1上，直流电机11的输出轴经联轴器12后与丝杆10同轴固定连接，滑块8通过螺纹套在丝杆10上形成丝杠螺母副，滑块8嵌入立柱9中沿立柱9上下移动。
纵向运动数据采集机构5包括安装板、光谱共焦传感器7和激光位移传感器6，安装板与滑块8固定连接，光谱共焦传感器7和激光位移传感器6均固定安装在安装板上，光谱共焦传感器7和激光位移传感器6的探头端均朝向所述二维运动平台2上的刮板细度计4，由激光位移传感器6监控反馈位移信息，控制电机驱动机构进行纵向上下移动，粗定位至光谱共焦位移传感器7的工作距离范围内，再由光谱共焦位移传感器7实现亚微米级精确测量，光谱共焦传感器7和激光位移传感器6经各自的数据采集器与PC工控机连接。
光谱共焦传感器7通过定位紧固圆孔槽机构13安装于安装板的长边底板上，激光位移传感器6安装于纵向运动数据采集机构5的短边底板上。紧固圆孔槽机构13由两个带有半圆孔的底座和压块构成，其圆孔直径与光谱共焦传感器7外径相当，光谱共焦传感器7安装在紧固圆孔槽机构13内，并由压块经由螺丝紧固。
如图2所示，通过设计定位紧固圆孔槽机构13的高度，使得激光位移传感器6的测量光点16和光谱共焦传感器7的测量光轴15到二维运动平台2水平移动平面的投影点之间的连接直线与二维运动平台2上的刮板细度计4斜槽长边方向相平行。因激光位移传感器6的测量光点16光斑较大，且为红光，易被人眼所感知，光谱共焦传感器7的测量光轴15在测量面的光点光斑极小，且为白光，人眼感知困难。此设计可通过测量光点16推断出测量光轴15的位置。
如图4所示，定位凹槽3的大小比刮板细度计4略大，将刮板细度计放入凹槽后，需紧靠凹槽的两边放置，后通过长边的定位螺丝18、定位螺丝19和短边的定位螺丝17共三颗定位螺丝旋紧定位，保证定位后的刮板细度计4在二维运动平台运动时候不与凹槽有相对移动以及刮板细度计4上的斜槽长边方向与二维运动平台X运动方向平行，实现快速精确定位锁紧。
本发明的具体实施例及其工作过程如下：
1)将被测的刮板细度计4放置于定位凹槽中，按刻度线数据增大方向为X正向的设定方向放置于定位凹槽中，将长边的两个定位螺丝及短边的一个定位螺丝旋紧，实现刮板细度计的快速定位锁紧。为二维运动平台设定如图5所示的直角坐标系XOY，使得刮板细度计4的斜槽长边方向与二维平台的X运动方向平行，二维平台的Y运动方向与刮板细度计4刻度线的方向平行，并使得激光位移传感器6的测量光点16和光谱共焦传感器7的测量光轴15到二维运动平台2水平移动平面的投影点之间的连接直线与二维平台的X运动方向平行；
2)通过电机驱动机构带动纵向移动数据采集机构5上下运动，根据激光位移传感器7检测获得和刮板细度计4表面的间距进行粗定位，将光谱共焦传感器移动到工作距离范围内，即光谱共焦传感器7的探头端和刮板细度计4表面之间的距离在光谱共焦传感器7工作距离范围内。当运动至光谱共焦传感器工作距离时，此传感器的白光测量光点出现，由光谱共焦传感器采集获得其探头端与刮板细度计4表面的距离数据。
3)观测此测量光点，驱动二维运动平台2进行XY两个水平方向运动，使得光谱共焦传感器7的光点落在刮板细度计4上表面一侧刻度的“0”刻度线延长线上；
4)进入自动校准测量，开始通过驱动二维运动平台2移动，使得光谱共焦传感器7的光点沿以下运动轨迹进行测量，如图5所示：
4.1)首先沿着X正方向运动至刻度最大值，按照刮板细度计4的刻度间隔，等间距采集光谱共焦传感器7探头端与刮板细度计4上表面之间的间距以及对应的二维运动平台2X位移值，记为数组L1；
4.2)接着将沿Y方向运动距离，光点落在刮板细度计4靠近一侧刻度的斜槽面内后，再沿着X负方向运动回到“0”刻度线所在的直线上，等间距采集光谱共焦传感器7探头端与刮板细度计4斜槽面之间的间距以及对应的二维运动平台2X位移值，记为数组L2；
4.3)然后沿Y方向移动距离，光点落在刮板细度计4靠近另一侧刻度的斜槽面边沿后，再沿正X方向移动与步骤4.1)中二维运动平台2位移值相同的距离，等间距采集光谱共焦传感器7探头端与刮板细度计4斜槽面之间的间距以及对应的二维运动平台2X位移值，记为数组L3；
4.4)最后沿Y方向移动距离，光点落在刮板细度计4上表面另一侧刻度的最大刻度线延长线上，再沿着X负方向回到刮板细度计4上表面另一侧刻度的“0”刻度线延长线上，等间距采集光谱共焦传感器7探头端与刮板细度计4上表面之间的间距以及对应的二维运动平台2X位移值，记为数组L4；
5)对步骤4)获得的四组数据采用以下公式进行处理得到校准结果，完成示值误差的自动测量。
l1＝L2-L1 (1)
l2＝L3-L4 (2)
δ1＝l标-l1 (3)
δ2＝l标-l2 (4)
式中，l1为受检点左侧的实际深度，l2为受检点右侧的实际深度，l标为受检点的标称值，δ1为受检点左侧的示值误差，δ2为受检点右侧的示值误差，δ为受检点的示值误差，取δ1和δ2中绝对值较大的值对应的δ1或δ2。
以受检点的示值误差δ作为最终结果对刮板细度计进行校准。
本发明的实例数据如下表1：
表1
最后的处理结果数据如下表2所示：
表2
由以上实施例可见，本发明能克服了现有技术装置接触测量的测头磨损带来的测量误差，采用高精度二维运动平台及微米级的测量光点，提高测量点的定位精度，实现自动校准测量，免除人工干预，提高了测量重复性，因此测量效率高，测量结果准确可靠。
Claims (6)
1.一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置，其特征在于：包括大理石底座(1)、二维运动平台(2)、定位凹槽(3)、电机驱动机构、纵向运动数据采集机构(5)、PC工控机、运动控制器、数据采集器和单片机，二维运动平台(2)固定安装在大理石底座(1)上，定位凹槽(3)装载在二维运动平台(2)上通过螺丝固定，通过二维运动平台(2)带动定位凹槽(3)水平直线双向移动，刮板细度计(4)安装在定位凹槽(3)中，电机驱动机构固定在二维运动平台(2)一侧的大理石底座(1)上，纵向运动数据采集机构(5)安装在电机驱动机构上并由电机驱动机构带动上下运动，通过二维运动平台(2)的水平移动使得纵向运动数据采集机构(5)上的传感器探测刮板细度计(4)表面进行检测；电机驱动机构经单片机与PC工控机连接，二维运动平台(2)经运动控制器与PC工控机连接，纵向运动数据采集机构(5)经数据采集器与PC工控机连接。
2.根据权利要求1所述的一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置，其特征在于：所述的二维运动平台(2)其中一水平直线移动方向与刮板细度计(4)上的斜槽长边方向相平行。
3.根据权利要求1所述的一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置，其特征在于：所述的电机驱动机构包括直流电机(11)、滑块(8)、立柱(9)、丝杆(10)和联轴器(12)，丝杆(10)通过机架和立柱(9)竖直安装在二维运动平台(2)一侧的大理石底座(1)上，直流电机(11)的输出轴经联轴器(12)后与丝杆(10)同轴固定连接，滑块(8)通过螺纹套在丝杆(10)上形成丝杠螺母副；
所述的纵向运动数据采集机构(5)包括安装板、光谱共焦传感器(7)和激光位移传感器(6)，安装板与滑块(8)固定连接，光谱共焦传感器(7)和激光位移传感器(6)均固定安装在安装板上，光谱共焦传感器(7)和激光位移传感器(6)的探头端均朝向所述二维运动平台(2)上的刮板细度计(4)，由激光位移传感器(6)带反馈地监控控制调节电机驱动机构进行纵向上下移动，并粗定位至光谱共焦位移传感器(7)的工作距离范围内，再由光谱共焦位移传感器(7)实现亚微米级精确测量，光谱共焦传感器(7)和激光位移传感器(6)经各自的数据采集器与PC工控机连接。
4.根据权利要求3所述的一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准装置，其特征在于：所述的激光位移传感器(6)的测量光点(16)和光谱共焦传感器(7)的测量光轴(15)到二维运动平台(2)水平移动平面的投影点之间的连接直线与二维运动平台(2)上的刮板细度计(4)斜槽长边方向相平行。
5.应用于权利要求1-4任一所述装置的一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准方法，其特征在于采用权利要求1-4任一所述装置，方法包括如下步骤：
1)将被测的刮板细度计(4)放置于定位凹槽中，使得刮板细度计(4)的斜槽长边方向与二维运动平台(2)的X运动方向平行，二维运动平台(2)的Y运动方向与刮板细度计(4)刻度线的方向平行，并使得激光位移传感器(6)的测量光点(16)和光谱共焦传感器(7)的测量光轴(15)到二维运动平台(2)水平移动平面的投影点之间的连接直线与二维平台的X运动方向平行；
2)通过电机驱动机构带动纵向移动数据采集机构(5)上下运动，根据激光位移传感器(6)检测获得的和刮板细度计(4)表面的间距进行粗定位，将光谱共焦传感器(7)移动到工作距离范围内，由光谱共焦传感器(7)采集获得其探头端与刮板细度计(4)表面的距离数据；
3)驱动二维运动平台(2)进行XY两个水平方向运动，使得光谱共焦传感器(7)的光点落在刮板细度计(2)上表面一侧刻度的“0”刻度线延长线上；
4)开始通过驱动二维运动平台(2)移动使得光谱共焦传感器(7)的光点沿以下运动轨迹进行测量：
4.1)首先沿着X正方向运动至刻度最大值，按照刮板细度计(4)的刻度间隔，等间距采集光谱共焦传感器(7)探头端与刮板细度计(4)上表面之间的间距以及对应的二维运动平台(2)X位移值，记为数组L1；
4.2)接着沿Y方向运动固定距离，光点落在刮板细度计(4)靠近一侧刻度的斜槽面内后，再沿着X负方向运动回到“0”刻度线所在的直线上，等间距采集光谱共焦传感器(7)探头端与刮板细度计(4)斜槽面之间的间距以及对应的二维运动平台(2)X位移值，记为数组L2；
4.3)然后沿Y方向移动距离，光点落在刮板细度计(4)靠近另一侧刻度的斜槽面边沿后，再沿正X方向移动与步骤4.1)中二维运动平台(2)位移值相同的距离，等间距采集光谱共焦传感器(7)探头端与刮板细度计(4)斜槽面之间的间距以及对应的二维运动平台(2)X位移值，记为数组L3；
4.4)最后沿Y方向移动固定距离，光点落在刮板细度计(4)上表面另一侧刻度的最大刻度线延长线上，再沿着X负方向回到刮板细度计(4)上表面另一侧刻度的“0”刻度线延长线上，等间距采集光谱共焦传感器(7)探头端与刮板细度计(4)上表面之间的间距以及对应的二维运动平台(2)X位移值，记为数组L4；
5)对步骤4)获得的四组数组进行处理得到校准结果，完成示值误差的自动测量。
6.根据权利要求5所述的一种刮板细度计示值误差的非接触自动校准方法，其特征在于：所述步骤5)具体是采用以下公式进行计算获得校准结果：
l1＝L2-L1 (1)
l2＝L3-L4 (2)
δ1＝l标-l1 (3)
δ2＝l标-l2 (4)
式中，l1为受检点左侧的实际深度，l2为受检点右侧的实际深度，l标为受检点的标称值，δ1为受检点左侧的示值误差，δ2为受检点右侧的示值误差，δ为受检点的示值误差，取δ1和δ2中绝对值较大的值对应的δ1或δ2；
以受检点的示值误差δ作为最终结果作为刮板细度计示值误差的校准结果。
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