某平面度检测机的设计

Design of Flatness M easuring MachineRNG Xichao，ZENG Yuyun，ZHANG Yong，MO Xinmin，BAI Chunjie(Northwest Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Xianyang 712099，China)Abstract：In same industry fields，where is the need of doing flatness test for production pieces，but the traditional waysall were did in the lab，and the operating procedure is complicated，which could not meet the needs of manufacturing produc-tion.This paper introduced the definition of flatness，at the same time，expatiated the electrical controling of flatness meas-urement with SONY gauge，which can solve the problem of the dimension check must be done in the lab，and enhance theefficiency of the manufacturing。

Key words：gauge，flatness，repeatability and repr0ducibI1ity本文设计的系统主要用于完成零件平面度公差的在线检测功能，PLC按照预先设定的 X、y坐标值控制伺服系统 ，对测头和工件精密定位 ；同时从精密数字尺收集 Z坐标 的高度值 ，计算被测 平面的平面度。系统检测速度快 、精度高、操作简单 ；同时，还具有上位计算机处理功能 ，可以将检测数据存储在计算机 内，方便用户 随时调阅 。本 文将着重从控制角度阐述该设备的实现方法。

l 平面度的定义及计算方法平面度误差是指被测实际表面相对其理想平面的变动量 ，理想平面的位置应符合最小条件 ，平面度误差值的大小等于两平 行平面之 间的宽度 。根据GB/T11337-2004(平 面度误差 检测 》标准 确认 的评定方法主要有 ：I)最悬容 区域法 ；2)对角线平面法；3)三远点平面法；4)最小二乘法。在系统调试阶段 ，使用不同品种的工件 ，对以上几种平 面度的评定方法都进行了验证 ，在与真值进行 比对后发现 ，除最小二乘法外 ，用其余各种算法都无法 准确地计算 出工件的平面度 。因此 ，本系统最终决 定采用最小二乘法作为平面度的计算方法。

2 硬件设计2.1 系统组成系统结构部分主要由 X轴测头移动平 台、y轴工件移动平台、测头上下运动机构 、测头、测量夹具、合格品打标机构 、自动下料机械手 、龙 门架 、机架、下料中间托盘、合格品料道 、不合格品料道等部分组成。

电气控制部分采用 oMRoN高速 PLC(CJ1系列)作为 CPU、高精度位控单元作为运动控制器 、高精度交流伺服系统 (三菱 电动机 产品)作 为执行机构 、SONY高精度磁尺 作为量具 ，保证 了系统 的测量精度。另外，系统还使用研华工控机作为上位数据处理计算机 ，实现了数据处理的实时性 ，完成 了数据的海量存储。系统控制结构框图如图 1所示 。

SONY磁尺拈电源 I通信l接口拈 l拈l拈磁尺PLCl船 拈拈l筷莰筷筷电源AC220V/DC24V上位计算机执行机构系统I/O点图 1 系统 控 制 结构 框 图2.2 测量设计2.2.1 运行模式系统运行模式主要包括校准与测量。校准运行完成确定系统测量基准的功能 ，只在设备重新起动和需要进行校准的情况下进行 ；测量运行必须在校准完《新技术新工艺》设计计算与试验研究 I 65新技术新工艺 2013年 第 3期成后进行 ，否则，测量数据会出现异常。系统具有 自动识别功能，当校准未完成时，将无法进入测量模式。

1)校准运行流程。操作者将校准规放置在测量夹具上-启动校准-系统 自动完成校准后回到原位。

2)测量运行流程。操作者将工件放置在测量夹具上-设备 自动检测工件是否放置好-启动检测-y轴带动工件在-个方向上运动，X轴带动磁尺在另外- 个与之垂直的方向上运动，X、y轴到达检测位置-测头上下运动机构驱动磁尺下降至检测位置进行检测，并将检测结果通过串口发送至 PI C-磁尺上升-X、y轴移动平台运动至下-检测点继续进行检测-全部 12点检测完成后 ，PLC自动计算平面度结果 ，判定工件是否合格，并将计算结果与判定结果发送至上位计算机-若T件合格，y轴带动T件至下料位-合格品打标机构动作 ，进行打标-下料中间托盘到达合格品料道侧- 自动下料机械手动作将工件运送至合格品料道；若T件不合格 ，y轴带动工件至下料位，将不打标-下料中间托盘到达不合格品料道侧-下料气缸动作 ，将 件运送至不合格品料道。

2.2.2 测量点选取本系统 中测量点 的选取至关重要 ，主要有 以下2个方面的影响。

1)理论上讲 ，测点选取的越多 ，计算结果越准确 ；但是随着测量点数的增加 ，会耗费相应的时间成本 ，这是在线设备所不能允许 的。因此 ，必须在保证测量精度 的基础上 ，满足系统节拍 的要求。经过现场实际验证 ，测量点数最终选取了 12点。

2)由于最 小二乘法 中有大量 的微积分计 算，PI C无法完成这些 复杂运算 ；因此 ，需要对运算过程进行简化。通过推理 ，测点相对于原点完全对称时 ，可以简化运算过程。本系统采用了在 2个 圆上进行测量 的方案 (每个 圆上 6个测点 ，每个测点与圆心连线夹 角均为 60。)。具 体测点分布如 图 2所示 。

66图 2 测点分布图3 软件设计3.1 PI C软件设计由于用户对生产周期具有严格的要求 ，因此 ，在现场调试阶段 ，对设备运行 的动作进行 了持续 的优化 ，以确保测量周期最短。PI C软件控制流程 图如图 3所示 ，除 了逻辑控制之外，PLC还需要完成平面度测量结果的计算 。-般 PI C只支持梯形图编程 ，无 法完 成 大运算 量 的T 作 ，而 本 系统 采用 的CPU(CJ1系列)支持 FB库功能，可以将 整个计算过程集成在 1个功能块内，降低编程强度 ，使整个程序更加简化；同时，本系统采用 ST语 言进 行编程，实现 了普通梯形图所不能实现的复杂数学运算 。

图 3 软 件 控 制 流 程 图3.2 上位机软件设计上位机数据处理是本设备所要实现的主要功能之-。 本系统采用 Borland Delphi7.0企业版作为上位机数据加工程序的生成软件，具有数据查询、数据删除(管理员权限)、数据打影数据导出(直接生成 Excel文件)功能。每组数据包括被测工件的测量时间、品种信息、生产序号、原始测量值及判定结果等内容，极大地方便了用户在生产过程中进行数据查询及备份。

4 结语测量的重复性及再现性 (R R)是衡量检测设备 的- 个 重 要 指 标，在 设 备 交 验 现 场本 设 备 的R&R指标完全达到了用户的要求 ，设备运行稳定 ，测量准确 ，得到了用户的高度评价。本设备的研制成功，为相关几何公差测量设备 的研制提供 了宝贵的参考 ，具有广阔的推广空间 。

作者简介 ：荣溪超 (1979-)，男 ，本科 ，T 程师 ，主要 从 事机 电- 体化设备 的设计与制造等方面 的研究 。

收稿 日期 ：2012年 O9月 12日责任编辑 李思文《新技术新工艺》设计计算与试验研究