（机械工程专业论文）平面度和直线度检测系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 平丽度和直线度形位公差在工业生产活动中被广泛地应用，且一直占有重 要的地位。但根据平面度和直线度误差定义所确定的基于最小条件原则的测量工 具，目前尚未达到可供实用的程度，所求的直线度误差或平面度误差值不能从测量 工具上直接得到。使得平面度和直线度误差值的确定就分为测量和评定两个过程。 因此，要想获得平面度和直线度误差值，必须进行复杂、繁琐的数据检测及评定处 理过程，且稍有不慎，将会造成大量数据的丢失，不仅加大了劳动强度，而且工作 效率更低。目前，只有个别单位开发出：基于数据采集板卡或r s 一2 3 2 - c 端口进行接 口信号处理的、检测项目及检测方法单一的平面度检测系统的开发。而在全国范围 内，还都停止于手动人工检测阶段，使得平面度和直线度的检测精度难以提高。 本文针对平面度和直线度检测所存在的涧题及其检测特点，根据平面度和直线 度误差定义，从生产实际出发，采用数字式电子水平仪作为测量装置，设计数据采 集器，并与微机结合，建立了平面度和直线度检测系统。通过检测数字式电子水平 仪输出的电压信号，并把它作为控制目标，按所设计的基于最新型的u s b 接口技术 的数据采集器和运用中文版v b 6 0 程序语言的软件技术对平面度和直线度的数据处 理部分进行编码设计的窗体功能进行测点数据的采集及计算，可达到便捷、低成 本、易扩展、高可靠性，实现了在满足检测耩度的前提下提高检测工作效率的目的 平面度和直线度检测过程中，被测实际线或实际表面决定了测点分段数及其平 面度原始数据的选取原则，并由平面度和直线度误差定义的检测及评定方法。本文 都对其进行了精度分析与设计。并根据检测要求，设计了基于v b 6 0 中文版下的 a c c e s s s 数据库类型的数据库和数据表，有效地提高了检溯精度和更具规范化。 该系统适用于各种有形位公差要求的平面度和直线度检测。此系统是将反复学 习公差与v b 语言设计运用到平面度和直线度检测系统的一次尝试，是平面度和直线 度检测领域的的一次新探索。 关键词：平面度，直线度，数据采集器，评定方法 沈阳工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f f l a t n e s sa n d l i n e a r i t yt e s t i n gs y s t e m a b s t r a e t f l a t n e s sa n d l i n e a r i t ys h a p ep o s i t i o n t o l e r a n c e - i n i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n c a m p a i g ni n h a v eb e e na p p l i e de x t e n s i v e l y a n dp o s s e s s i m p o r t a n tp o s i t i o na l w a y s b u t a c c o r d i n gt of l a t n e s sa n dl i n e a r i t ye r r o rd e f i n ed e t e r m i n eb a s e do nm i n i m u mc o n d i t i o nt h e m e a s u r et o o lo f p r i n c i p l e ，n o wh a v en o tr e a c h e dt h el i n e a r i t ye r r o rt h a tb e g e df o rp r a c t i c a l l e v e lo rt h ev a l u eo ff l a t n e s se r r o rc a nn o td i r e c t l y g e tf r o mm e a s u r et o o l m a k ef l a t n e s s a n dl i n e a r i t ye r r o rv a l u ed e t e r m i n et od i v i d ei n t om e a s u r ea n da s s e s s m e n tt w oc o u r s e s t h e r e f o r et o g e t f l a t n e s sa n dl i n e a r i t ye r r o rv a l u e m u s tc a r r yo u tc o m p l e x ，l u s s yd a t a d e t e c t i o na n dt h ea s s e s s m e n tc o u r s eo fh a n d l i n g a n dh a v en o ts h e n w i l lc a u s em a s sd a t a l o s e h a v en o to n l yi n c r e a s e dl a b o u rs t r e n g t h ，a n dw o r k i n ge f f i c i e n c ym o r el o w s n o w h a v eo n l y , i n d i v i d u a lu n i td e v e l o p m e n tt oh a p p e n ：b a s e do nd a t ac o l l e c t i o nb o a r dc a r do r r s - 2 3 2 一cp o r t ，c a r r yo u tt h ed e v e l o p m e n to ft h ed e t e c t i o np r o j e c ta n dd e t e c t i o nm e t h o d u n i t a r y f l a t n e s st e s t i n gs y s t e mo fi n t e r f a c es i g n a lh a n d l i n g a n dr e t u r ni nt h e s p h e r eo f n a t i o n w i d et h ed e t e c t i o np r e c i s i o nt h a t s t o p si nt h ea r t i f i c i a ld e t e c t i o ns t a g eo fb yh a n d a n dm a k e sf l a t n e s sa n dl i n e a r i t yt ob eh a r d r a i s i n g t h i sp a p e rd e f i n e sa c c o r d i n gt oi t sd e t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o b l e mt h a tf l a t n e s s a n dl i n e a r i t yd e t e c t i o nh a v ea c c o r d i n gt of l a t n e s sa n dl i n e a r i t ye r r o r ，i sm e a s u r e m e n tu n i t a n dd e s i g nd a t ac o l l e c t i o nw a r ef r o mp r o d u c t i o nr e a l i t y , ，w i t hd i g i t a lt y p ee l e c t r o n i cl e v e l ， a n dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fp e r s o n a lc o m p u t e r ，h a v ee s t a b l i s h e df l a t n e s sa n dl i n e a r i t y t e s t i n gs y s t e mt h r o u g h t h ee x p o r tv o l t a g es i g n a lo fd e t e c t i o nd i g i t a lt y p ee l e c t r o n i cl e v e l ， r e g a r di t a sc o n t r o l g o a l ，g a t h e rw a r ea c c o r d i n gt ot h ed a t ab a s e do nt h et e c h n o l o g yo f n e w e s tu s bi n t e r f a c et h a t d e s i g n e d a n du t i l i z ec h i n e s ee d i t i o nv b 6 t h es o f t w a r e t e c h n i c a ld a t ah a n d l i n gf o rf l a t n e s so f0p r o g r a ml a n g u a g e st h ew i n d o w b o d yf u n c t i o nt h a t c a r r i e so u tc o d i n gd e s i g np a r t i a l l ym e a s u r ec o u n ta c c o r d i n gt oc o l l e c t i o na n dc a l c u l a t i o n ， c a nr e a c hc o n v e n i e n t ，l o wc o s t ，e a s y , d e v e l o p m e n ta n dh i g hr e l i a b i l i t y ，h a v er e a l i z e di nt h e p u r p o s et h a t s a t i s f i e sd e t e c t i o np r e c i s i o na n dr a i s ed e t e c t i o nw o r k i n ge f f i c i e n c y , u n d e r p r e r e q u i s i t e ， 沈阳工业大学硕士学位论文 i nf l a t n e s sa n dl i n e a r i t yd e t e c t i o nc o u r s eh a v eb e e nm e a s u r e da c t u a l1 i n eo ra c t u a l s u r f a c ea n dh a v ed e c i d e dm e a s u r es e c t i o ns e v e r a la n di t sf l a t n e s s o r i g i n a l d a t as e l e c t p r i n c i p l e ，a n db ya s s e s s m e n tm e t h o da n dt h e d e t e c t i o no ff l a t n e s sa n dl i n e a r i t ye r r o r d e f i n i t i o n ，t h i sp a p e r h a sc a r r i e do u t p r e c i s i o na n a l y s i sa n dd e s i g nf o ri t a n da s ka c c o r d i n g t od e t e c t i o n ，h a v ed e s i g n e db a s e do nv b 6 d a t as h e e ta n dt h ed a t a b a s eo ft h ea c c e s s s d a t a b a s et y p eu n d e r0c h i n e s ee d i t i o n s ，h a v er a i s e dd e t e c t i o np r e c i s i o ne f f i c i e m l ya n d m o r eh a v et os t a n d a r d i z e t h i ss y s t e ma p p l i e st ol i n e a r i t yd e t e c t i o na n dt h ef l a t n e s so fv a r i o u sv i s i b l ep o s i t i o n t o l e r a n c e r e q u i r e m e n t s t h i ss y s t e m i st o s t u d yt o l e r a n c ea g a i na n da g a i n w i t hv b l a n g u a g ed e s i g nu t i l i z et h eo n c eo ff l a t n e s sa n dl i n e a r i t yt e s t i n gs y s t e mt r y ，i ti sf l a t n e s s w i t ht h eo n c eo f l i n e a r i t yd e t e c t i o nf i e l de x p l o r er e c e n t l y k e yw o r d s ：f l a t n e s s ；l i n e a r i t y ；d a t ac o l l e c t i o nw a r e ，a s s e s s m e n tm e t h o d 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：- = 盟日期：兰! 竺! 蔓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：埤导师签名：堪日期： 2 护d 乒，z 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 平面度和直线度基本概念 我们知道，在零件的加工和平直量具的制造过程中，平面度和直线度误差川就 客观地存在着。所谓直线度误差就是“被测实际线对理想直线的变动量”。而平面 度误差是指“被测实际表面对理想平面的变动量”。所以，自从形位公差国家标准 ( g b l l 8 2 、1 1 8 3 、1 1 8 4 ) 颁布试行以来，怎样确定符舍标准定义的平面度和直线度 误差值以及如何把这个标准在生产实践中加以贯彻，就成为一个新的课题。 根据平面度和直线度误差定义。1 ，在确定交动羹的大小时，理想直线或理想平 面相对于实际线或实际表面的具体方位起着决定性的作用。目前，常用于确定理想 直线或理想平面方位的原则大致有三种：贴切原则、最d - - 乘方原则和最小条件原 则。当测量工具能按定义规定的原刚直接测量出所要求的直线度或平面度误差值 时，则直线度或平面度误差值的确定只包括测量这一个过程。如基于贴切原则的刀 口尺测量直线度误差和平晶测量平面度误差。这种方法只适合于小件、样件的检 测。不适合大件和大批件的检测。而现在国标伽规定使用最小条件原则。最小条件 原则就是：用两条平行的理想直线或理想平面包容实际轮廓，并使此两理想直线或 理想平面件的距离为最小。 目前，基于最小条件原则的测量工具尚未达到可供实用的程度“。所求的直线 度误差或平面度误差值不能从测量工具上直接得到。因而误差值的确定就分为两个 过程：测量过程和评定过程。 所谓测量过程就是使用某些通用量仪，选定一条或一个作为测量基准的理想直 线或理想平面( 通常称为测量基线或测量基面) ，测出实际线上或实际表面上各点 偏离测最基线或测量基面的一系列数值的过程。丽当所选定的测量基准的方位与定 义规定的理想方位相一致时，所得的测量结果就是所求的误差值；当测量基准的方 位与定义规定的理想方位不一致时，就需要从已得的测量值中，根据一定的准则和 方法进行处理，以确定出评定基准的具体方位，从而得出所求的误差值来。这样一 沈阳工业大学硕士学位论文 个对已有测量数据进行处理的过程，就叫做评定过程。 1 1 z 平面度和直线度检测存在的问题 目前，在机械工业飞速发展的今天，机械行业的工厂实验室、长度计量测试等 部门的平面度和直线度的检测量也随之加大，而其检测手段是采用某些通用量仪对 直线度和平面度进行检测。1 。随着检测量的不断加大，所要求的测量精度也不断提 高。而目前所采取的这种检测手段还存在一些问题，主要表现在以下几个方面； 1 测量时综合误差大。一是由于测董时数据的采点是手动完成的，必然带入 一定的测量熏复性误差；另外，利用已知的平面度误差值进行评定时，几经计算转 换，也将带入一定的误差；还有前后测量时桥板位置不可能重合等，也将使测量误 差加大； 2 人工输入，检测精度低； 3 计算结果只有各点偏差数值和图形，不显 示和保留原始数据，也没有检定规程所要求的诸如：规格、准确度等级、编号、要 求、实测、结论等检测必备的项目格式。所以。此种检测手段亟待提高与改进。 1 1 3 本课题的提出 针对以上存在的问题，从二十世纪八十年代至今，利用日新月异的飞速发展的 电脑科技，长度计量测试的方式、方法与年段以及测量数据的处理方法简便、快 捷，在某些计量检测设备上已经实现。尤其在机械制造行业，在平面度的检测手段 上，已经建立由电子水平仪和计算机构成的数据采集处理系统“3 ，来进行平面度的 检测，实施了数据处理乃至在线检测与控制，同时提高了计量测试的水平。达到了 对产品质量控制的有效途径和发展趋势。 而且，在1 9 8 5 年，我们结合工厂实际，按照国家计量总局颁发的平板检定 规程，利用当时先进的“苹果i i ”型微机与瑞士生产的，分度值为2 ”的水平仪 组合，采用“b a s i c ”语言，在d o s3 0 环境下运行，自主设计开发了“平板平面 度测量系统”。该系统的优点是：具有一定的时代性，把繁琐、冗长的平面度计算 从人工计算提升飞跃至微机智能计算，提高了工作质量与工作效率。不足之处是： i 人工输入，计算时间长； 2 打印结果只有平面度的各点偏差数值和图形，不显 示和保留原始数据，也不能打印出检定规程所要求的诸如：规格、准确度等级、编 号、要求、实测、结论等检测必备的项目格式： 3 设备庞大，不利于实现现场的 2 沈阳工业大学硕士学位论文 在线测量； 4 没有存储的功能，因此，也就勿谈实现计量检测数据等工作“无纸 化”的目标。且上述设备早已成为“文物”级的饰物，陈旧、老化，又无法维修， 编写精度也己显得古老，所以。我厂自主设计开发的“平板平面度检测系统”已于 二十世纪九十年代中期被淘汰。 ( 1 ) 中国装备制造业的发展机械工业企业的振兴，离不开长度计量测试技 术，同时，更离不开平面度和直线度检测技术。所以，只有设计开发出具有自动采 集数据和分析数据功能，且能打印出计算结果，并可采用多种方法进行平面度和直 线度检测的测量系统，才能适应当今信息化、产业化时代的发展，同时，也是机械 工业企业工作的首选。 ( 2 ) 我们厂现在的平面度和直线度的检测量非常大，而我们在测量与数据处 理上，仍然停止于手动人工计算的方式，微机化没有推广和普及，造成了检测精度 低、劳动强度大的局面。随着计算机技术的发展，平面度和直线度的检测系统有待 于研究与开发。 ( 3 ) 虽然国内外开发此系统的厂家有很多啊，但其开发的系统都具有局限性。 一是检测方法上。系统都只能进行平面度检测，不能进行直线度检测，而且平面度 检测只有对角线法一种；二是接口信号传输速度慢，易导致数据的失真，同时又由 于诸多因素，我们厂没有进行这方面的技术弓f 进与开发。 基于此，现需对平面度和直线度的检测系统进行研究与开发。所以本课题的“平面 度和直线度的检测系统的研究”所设计的平面疫和直线度检测系统就是把通用量仪和计 算机组合，构成一个数据采集处理系统。该系统利用计算帆硬件接口信号的功能，设计 数据采集器，完成数据的自动输入；利用计算机软件v b 6 0 程序语言功能，设计系统的 窗体和各种功能函数，使平面度和直线度误差测量数据与复杂、繁琐的评定处理过程全 部自动化。 1 2 检测系统的研究现况及发展趋势 1 2 1 人工检测系统 这种检测方法的全过程都是手动完成的，既用数字式电子水平仪对平面度进行 测量的数据采集；检测数据的记录；复杂、繁琐的平面度计算公式等。现在大部分 3 沈阳工业大学硕士学位论文 企业都是采用的这种手动人工检测、计算的方式，微机化没有推广和普及，这种检 测方式精度低、劳动强度大，检测手段原始，已经跟不上时代的信息化发展。需提 高与改进。 i 2 2 半自动检测系统 八十年代至九十年代，这种平面度和直线度检测系统从简单的利用传感器量仪 和计算机构成的数据采集处理系统“1 ，与机械测量装置相结合的这种平面度检测系 统。完成测量、信号采集、转换、显示、判别处理和输出等各个环节来实现的计算 机辅助精密测量。这种系统的构成由：t p _ _ 8 0 1 型单板机和d g b 4 型电感测微仪构 成。系统机采用a p p l e i i 型机，用b a s i c 语言编写。采用最小条件法进行平面度 数据处理，适合于大平板测量。此系统的硬件由传感器、信号调理电路、数据采集 接口及苹果i i 位机等部分组成。发展到可在台式微机和笔记本电脑上运行的x w 一5 形位误差测量数据采集及处理系统嘲。这种系统采用测量仪器与d g b 一5 b 电感测微仪 的d g c 一8 z g c 轴向测头相联，将电感测微仪的模拟量输入数据采集器，经模数转换 后显示其示值。也可将该组数据存入i c 卡中，然后离开测量现场回到办公室通过 采集器将i c 卡中存储的数据用通讯的方式传送给台式微机或笔记本电脑进行数据 处理。半自动采数可通过电缆进行远距离搡作。主要器件包括：lt l c 2 5 4 3 串行 a d 转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成a d 转换过程。 1 2 3 全自动检测系统 如今，伴随着计算机的信息化发展，对平面度和直线度检测系统的研究也得到 了很快发展。具有测量精度更高；速度更快，读数更加直观等特点。如：由青岛前 哨精密机械公司生产的s d s 系列数字式电子水平仪与计算机组成的自动检测系统， 它具有测量精度高，速度快，读数直观等特点，且适用于平面度和直线度的检测及 对水平面倾斜度的调整。己被国家列为替代迸口产品。还有北京丹青华瑞科贸有限 公司生产的w y l e r 水平仪测量系统，具有一定规模。它应用于平面度测量领域中， 选用不同的测量方法和软件程序，可检测平面度、平行度、垂直度，也可打印检测 结果。这些检测系统虽然都是采用v b 6 0 程序语言设计，但界面复杂，数据输入的 方式方法不能严格满足规程要求，且不保存数据，从而不能打印记录。而且接口技 4 沈阳工业大学硕士学位论文 术都是采用串行通信方便易行的r s 一2 3 2 - c 端口实时监控软件“。这种串口的优点 是：可作为计算机与外部串行设备之间的酋选数据传输通道，而且由于许多设备和 计算机都可以通过串口对外设进行控制、检测，获取由外设采集到的监测数据的一 个非常重要的手段。并可运行于w i n d o w s9 8 操作系统下，可后台运行、实时接 收、处理从端口传来的数据，并能通过向串口发送命令来控制外设的动作。同时为 了避免在实时监控数据时引发程序阻塞，引入了线程和端口中断响应等技术“。但 这种信号接口技术的缺点是：传输速度慢，容易导致数据的失真。而通用串行总线 u s b 的出现，可以完全解决数据采集板卡安装麻烦，易受机箱内环境的干扰而导致 采集数据的失真，易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，可扩展性差的问 题，实现了便捷、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集，代表了现代数据采集系 统的发展趋势。 1 2 4 检测系统的发展趋势 平面度、直线度形位公差在工业生产活动中被广泛地应用，早在二十世纪 七十年代的中期，当时的国家计量总局与第机械工业部标准化研究所曾两次联合 召开过专题技术讨论会，以后，中国计量测试学会几何计量专业委员会也举办过专 题交流会，讨论了这方面的问题。认定：平面度和直线度误差测量数据的处理方法 及其理论已初步达到了可供实用的程度。同时，还认定，测量数据的处理方法简 单、便利、快捷，是目前和今后相当长一段时间内必不可少的工作方向和实现的目 标。尤其对于机械工业企业，长度计量在整个企业的生产活动中占据着大份额的、 主导性的地位。而且，机械工业企业生产的零部件的在线检测以及计量检测设备的 确认间隔的检定等工作中，平面度和直线度等形位公差工艺被广泛地采用。 二十世纪八十年代至今，电子计算机微型机的到来和推广普及，全社会发生了 革命性的改变。伴随着电脑科技的日新月异的飞速发展，长度计量测试的方式、方 法与手段以及测量数据的处理方法简便、快捷，在某些计量检测设备上已经实现。 尤其对于机械制造行业各部门及相关行业，在平面度和直线度的检测手段上，建立 由电子水平仪和计算机构成的数据采集处理系统“”，进行平面度和直线度的检测， 是一个企业利用计算机技术实现对产品的检测、实施数据处理乃至在线检测与控 5 沈阳工业大学硕士学位论文 制，进而提高计量测试的水平，达到对产品质量控制的有效途径和发展趋势。 中国装备制造业的发展，机械工业企业的振兴，离不开长度计量测试技术，同 时，更离不开平面度和直线度检测技术。所以，只有设计开发出具有自动采集数据 和分析数据功能，且能打印出计算结果，并可采用多种方法进行平面度和直线度检 测的测量系统，才能适应当今信息化、产业化时代的发展，同时，也是机械工业企 业工作的首选。从目前来看，虽然开发此系统的厂家有很多，但大都只停滞于小区 域的个别单位开发应用，而在全国区域内，其发展的程度还处于休眠之中，有待于 去催醒。所以，平面度和直线度的检测数据处理微机系统亟待于研究与开发。 1 3 本课题方案确定及研究的主要内容 综上所述，本课题设计方案的题目是平面度和直线度检测系统的研究。课 题研究的内容是平面度和直线度检测与评定方法豹分析与设计。主要工作有： 1 数据采集器的接口信号及其模板的设计； 2 测量装置的选择与分析； 3 平面度和 直线度的测量方法与评定方法的分析与设计； 4 检测系统的软硬件设计。 方案确定如下： ( 1 ) 平面度和直线度检测系统的硬件设计 平面度和直线度检测系统的硬件部分包括茎于u s b 总线的接口信号、a d 转换 器、单片机。存储器及测量装置的电路设计与输出信号的分析等。 ( 2 ) 平面度和直线度检测系统的软件设计 系统的软件从功能上可划分为以下几个方面的模块：系统初始化及主程序、采 样和测量过程控制部分、数据处理部分、结果报告部分、异常情况处理部分、数据 分析部分等。 ( 3 ) 数据库的设计与制作 数据库的设计主要包括：平面度主表和从表、直线度主表和从表的设计，采用 v b 6 0 中文版程序的m i c r o s o f ta c c e s s s 数据库类型。 由于时间的关系，本系统的硬件部分：数据采集器的接口信号及其模板的设计由他 人另作，本课题主要负责后三个部分的设计。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 本课题的意义 1 4 i 课题研究的目的 在工业生产活动中，对于机械工业企业，长度计量在整个企业的生产活动中占 据着大份额的、主导性的地位。尤其对于机械制造行业各部门及相关行业，在平面 度和直线度的检测手段上，建立由电子水平仪和计算机构成的数据采集处理系统， 进行平面度和直线度的检测，是一个企业利用计算机技术实现对产品的检测、实施 数据处理乃至在线检测与控制，进而提高计量测试的水平，达到对产品质量控制的 有效途径和发展趋势。 中国装备制造业的发展，机械工业企业的振兴，离不开长度计量测试技术，同 时，更离不开平面度和直线废检测技术。所以，只有设计开发出具有自动采集数据 和分析数据功能，且能打印出计算结果，并可采用多种方法进行平面度和直线度检 测的测量系统，才能适应当今信息化、产业化时代的发展，同时。也是机械工业企 业工作的首选。 平面度与直线度的检测与计算工作是一件非常复杂和具有重要社会意义的一件 事情，它涉及面广，数据量大，稍有不慎，将会使数据丢失，并会造成巨大的损 失。从目前来看，我国在平面度与直线度的检测方面已经有非常成功的系统，但作 为一名工程硕士研究生，首先就要解决工程中的实际问题，尤其通过基础理论的学 习，再结合我厂的实际情况，自主设计开发出：便于使用、维护和开发的；具有实 用价值；价格适宜；可达到系统本地化；具有针对性，可面向我厂，继而可在本行 业开发的具有数据处理和硬件接口设计的平面度与直线度的检测系统。 并且通过对该系统的设计与制作，本人将会对u s b 接口技术的设计和中文版 v b 6 0 的程序语言和开发数据库系统，有更为深刻的认识，并能达到精通与应用的 目的。而且，此系统具有通用性，不仅只适合于平面度与直线度的检测，对其它各 行业检测也具有代表性。为此，只要掌握了本次系统开发应用，其它检测系统的开 发应用也就应刃而解了。 i ，4 2 课题研究的意义 ( 1 ) 选材适当。结合我厂的实际情况，便于使用、维护和开发( 引进不利于 7 沈阳工业大学硕士学位论文 维护和开发) ，具有实用价值，可达到系统本地化， ( 2 ) 价廉。价格适宜( 因为购买一套此系统需3 4 万元人民币，而开发一套 此系统只需l 一2 千元人民币) 。 ( 3 ) 具有针对性。可面向我厂，继而在本行业开发。 ( 4 ) 测量平面度的评定与判别方法不只拘泥于“对角线法”一种，可达到： 内容蕴涵丰富多样化：功能种类多元化；评定方法多极化。因为，本人通过近二十 年的计量检测实践工作，总结出：计量检测工作的全过程，必须经过二次以上的检 测和应有两种以上的评定方法。其目的是获取测量参数的算术平均值，减少测量中 的人为误差和随机误差，提高测量精度。又可相互认证评定的准确度与精度。 8 沈阳工业火学硕士学位论文 2 平面度和直线度检测系统的建立 2 1 检测方法与评定方法的分析 2 1 1 平面度和直线度检测方法的分析 根据平面度和直线度的理想平面或理想直线具体方位的三种选定原则“”，平面度和 直线度的检测方法分为直接测量法和间接测量法。常见的检测方法“”见表2 1 。 表2 1 常见的平面度和直线度检测方法小结 检测方法测量工具工作原理 直平尺法( 符台贴切原刀口尺或平尺与被测表面相贴切，由最大间隙来 接则)确定赢线度误差值 测打表法( 只提供测量基千分袭或百分表将表沿被测表面的理想直线滑动，由 量准徭按定义进行评表读出被测表面各点变化量 法 定) 干涉法( 符合贴切原平晶直接从干涉条纹读出平面度误差值 则) 间水平仪法( 适于较长的水平仪按被测面长度选定适当跨距制作 接被测平面)一个专用桥板。将水平仪放置在桥 测板上，桥扳沿测量长度方向分段依 量次移动，仪器读数进行计算并换算 法为线值 准直仪法自准直仪以平行光管发出的平行光线为理想直 线与被测表面相比较 对于小尺寸、单次测量来说，直接测量法最适用，因为它符合国标定义的贴切 原则，即测量时的测薰基线就是评定直线度误差值时的评定基线。而对于大尺寸、 批次测量来说，就不适于使用直接测量法。一是受测量工具的限制：刀口尺检测直 线度与平晶检测平面度的误差值是估读的，测量误差过大；打表法的测量基准不易 掌握，所得出的测量值也是不稳定的。而且直接测量法的铡量工具不适合作为一个 检测系统的测量工具，所以，本课题所设计的检测系统采用的检测方法是间接 测量法，也就是水平仪法。 ( 1 ) 直线度测量用水平仪测量直线度“”，应按被测表面长度选定适当跨 距，并制作一个专用桥板，将水平仪放置在桥板上。测量时，使桥板的两支撑点沿 9 沈阳工业大学硕士学位论文 测量长度方向分段依次移动( 在两次测量中应使前一次测量桥板的末点与后一次测 量时桥板的始点相重合) ，水平仪的读数即为各测点的读数，再把各测点的读数做 出误差图形或计算，得出的数值再换算为线值，即为童线度误差值。 ( 2 ) 平面度测量与测直线度相同，制作一个专用桥板，也是将水平仪放 置在桥板上。使用水平仪在被测表面预先拟定的若干测量截面上，以节距法( 即分 段测量法) 进行测量，可以得到各被测点相对于测量基准( 水平面或光轴直线) 以 角值表示的量值，在取得最后结果时，再换算为以线值表示的量值即可。 2 1 2 平面度原始数据的取得 平面度原始数据的取得是水平仪在被测表面按拟定的截面进行平面度测量时所 取得的“。这个拟定的截面按其形式不同可分为两种：测量截面呈“米”字形布置 的测量方法，我们称为对角线测量法；测量截面呈网格形布景的测量方法，我们称 为环线测量法，如图2 1 、图2 2 所示。 a la 2 a 3 a 4 a 5 b l u r b 2 b 3确 。t 臼c 4 d 1d 厂k d 4 ，咯12e 3e d 图2 1 测量截面“米”字形布置 a 1 、a 2 等分别为测量点序号 豳2 2 测量截面网格形布置 b 、 d 、b c 等分掰为测量截面 以往我国平面度检测方法“”，大都采用对角线原则，环线法一直没有被采用， 使平面度检测方法有了局限性。而我们在工作实践中发现，由于受检具和特殊平面 的制约，有时“对角线”法在检测工作中难以实行。因此，在此次系统设计中增加 了环线法原则，以此弥补“对角线法”的不足。 同时我们经过实验、分析与计算，用对角线法和环线法来评定各点的平面度误差值 时，其测量极限误差的最大值见式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ： 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 “对角躺= 孚d 矾。( 环线法b 土堕2 d ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：形 m 。最大测量极限误差，单位为p m ； 6 仪器的单次测量误差，单位为pm ； 玎各截面的测量跨距数。以4 。 通过以上的精度分析可知，环线法的精度与对角线法的精度相同，但在测量操 作和计算方面比对角线法简单得多，所以，在本课题的设计中，平面度的测量方法 增加了“环线法”这一检测方法。但是，不论采用那种原则，都必须满足最小条件 原则“”。而对角线法和环线法这薅种原则都不符合新国标规定的最小条件原则的要 求。目前，基于最小条件原则的铡量工具尚未达到可供实用的程度。所求的直线度 误差或平面度误差值不能从测量工具上直接得到。因而误差值的确定就分为两个过 程：测量过程和评定过程。而且，这两种评定原则的测量和计算过程都很复杂。通 过本课题的设计，采用v b 6 0 程序语言对计算过程进行编码设计，使复杂繁琐的检 测与计算都由计算机来完成，即提高了效率，又提高了检测精度。 2 1 3 桥板跨距的选取 若被测全长为l ，桥板跨距长度为f ，则用水平仪测量时的最大测量极限误差及 分段数n 的计算见式( 2 3 ) ( 2 4 ) ： 三 ， ：土垒d ：0 0 0 5 r 迎 。 22 式中：蕊“一最大测量极限误差，单位为um ( 2 3 ) ( 2 4 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 三一被测截面或实际线全长，单位为m m ： 卜一桥板跨距长度，单位为m m ； f 水平仪分度值，单位为秒； 占一仪器的单次测量误差，单位为um 。 n 一测量时跨距的分段数。对于直线度测量，一般取n = l o 1 5 ( 为便于计算， 最好取，2 = 1 0 。因为测量极限误差与三，成正比，工越大误差越大，z 越大误差也越 大。当一定时，减小，可以提高精度，但是由于，减小必然使刀增大，不仅增加了 工作量和工作时间，又因温度条件的变化而使测量误差增大。所以，不能无限减 小) 。对于平面度测量，一般取拧= 4 7 。 2 1 4 平面度和直线度评定方法的分析 因为间接测量法只提供测量基准，经过测量后所取得的一系列误差值，不一定 就是符合标准规定的误差值，还应按标准规定的定义加以评定“”。 首先，我们应根据已有误差值判断已有的测量基准是否与应有的评定基准向重 合，这就需要有能判别是否符合最小条件原则的判别准则。即为：设有实际线或实 际表面被两平行直线或两平行平面所包容，且包容线或包容面之间的距离为最小 时，符合最小条件定义，此两包容线或包容面即为评定基准。 符合国标定义的评定方法可以分为旋转法、做图法和计算法三大类啪。旋转法 将原始数据直接加以变换，不需使用绘图或计算工具，有简便易行的优点；作图法 有简单直观的优点；计算法则有计算精度高的优点。三者又各有缺点：旋转法需作 多次旋转，对不熟练者效率不高；作图法需要用坐标纸准确她作图；而计算法的数 字计算较为复杂。下面就平面度和直线度检测的评定方法分别加以设计。 ( 1 ) 直线度评定方法分析 直线度的评定方法可归纳为两大类：两端点连线法和包容线法“。两端点连线 法是按被测实际线的首尾连线作为评定基准则，包容线法采用包容线作为评定基 准，则其直线度误差值分别见式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) ： l 2 沈阳工业大学硕士学位论文 哳。( 两端点连线沩= 半6 吼眦( 包容= 孚占 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：d l 。最大测量极限误差，单位为u m ； 占仪器的单次测量误差，单位为um ； n 测量时的跨距分段数，以= 1 0 一1 5 ： m 测量时的跨距分段数。o m 九。 通过上述分析，可以知道，用符合最小条件的包容线法来评定直线度误差时， 它的精度是高的，它评定直线度误差时总是小于、最多等于用首尾连线法评定直线 度误差时的极限误差。而且它评定的最大直线度误差值为最小值，比较符合被测实 际线的实际情况。它不仅在很大程度上消除了测量中的系统误差，还有效地限制了 偶然误差的可能的累计程度。同时我们还知道计算法不仅计算精度高，而且其评定 方法为包容线法，满足最小条件原则。通过以上分析可以看出，本课题采用计算法 进行评定，即提高了效率，又提高了检测精度。 所以在本课题的设计中，直线度检测的评定方法采用满足最小条件原则的计算法。 ( 2 ) 平面度评定方法分析 对已有的可供按最小条件原刚进行评定的平面度原始数据，不论他们的取得来 自何种方法，都应使用最小条件原则的判别准则予以鉴别，若与判别准则不符，就 要进行数据处理。直至符合判别准则。所以，符合新国标规定的平面度误差值的评 定过程包括鉴别和处理两个过程啪】 1 ) 符合最小条件原则的判别平面度误差值的判别准则按平面度误差的三种基 本类型：凸( 凹) 型，鞍型和直线型而分为三种：三角形准则、交叉准则和直线准 则。对于大尺寸测量，平面度误差常出现前两种类型，所以，我们采用的平面度判 别准则为：三角形准则和交叉准则。 2 ) 在平面度误差值的评定方法。3 中，旋转法是最基本的方法，原理浅显易 沈阳工业大学硕士学位论文 懂，掌握容易。尤其其中的变换基面法更为简便，只要选出两个大点和两个小点， 般转两次就可求出结果；图解法要求出投影值，适于简单的小件测量：计算法要 建立平面方程，计算繁琐。所以本课题采用简便快捷的评定方法旋转法。 2 2 系统的组成 系统由带有模拟电压信号的铡量装置、数据采集器模块、微机显示器、打印机 等四部分组成。图2 3 为平面度和直线度检测系统的组成框图。 圆圈卜叫夔塑蛩僵匾捆咂圃 图2 3 平面度和直线度检舅系绕组成框图 2 2 1 系统整体方案的设计 系统的设计主要包括系统程序模块的分析与设计和系统功能的分析与设计，它 主要包括以下两个方面： ( 1 ) 系统程序模块的分析与设计 在一个系统的程序设计方法上，应尽可能采用模块化程序设计技术。”。即把一 个较长的完整程序分成若干个小的程序或模块。程序模块通常是按功能划分的。单 个模块要比一个完整程序更易编写、找错和测试，并能为其他程序重复利用，这是 模块化程序设计技术一个优点。一般包括以下几部分： 1 ) 系统初始化部分： 它对系统是否正常做各种检查。使各部件处于确定的初始状态，接受提供给系 统的初始值和位置参数，使整个系统为测量做好准备。 2 ) 采样和澳4 量过程控制部分： 它要完成对数据的采集和简单处理的任务，并对测量过程进行控制。这两部分 因直接涉及支持硬件，故全部地或部分地用机器语言或汇编语言编制。 3 ) 数据处理部分： 他完成数据处理、误差修正、简单分析等任务。一股采用汇编语言或高级语言 编程，按机型而定。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 4 ) 结果报告部分： 它要求完成数据处理结果及误差曲线的打印输出。 5 ) 异常情况处理部分： 在出现各种错误和不正常状态时，它可发出报警指示，及时警告操作人员。 6 ) 数据分析部分： 他完成对各种数据或测量结果的较深入的分析。有时这部分太大或处理复杂， 需专门编制成独立的程序供调用。 ( 2 ) 系统功能的分析与设计 1 ) 系统硬件部分功能应达到： 达到自动跟踪测量、同步采集数据功能。 采集速度快、糟度高。( 新型的u s b 总线接口技术就可达到这一要求) 信号输出不失真。 2 ) 系统软件部分的功能，应达到： 数据输入编辑功能。如数据的添加、修改、编辑等功能。 自动计算与统计功能。检测系统能对输入韵每一点数据进行自动计算与统计。 检定状况查询功能。查询系统应该按量具编号进行查询。因为量具编号是唯一 的，因而按量具编号进行查询是最科学的。 因该具有报表功能。通过报表进行记录的打印。 系统将用到一个“平面度和直