多功能线纹尺自动测量装置研制

1 引 言

    目前，大多数的省级计量院在检定标准钢卷尺、铟瓦尺时，测量方式是以激光干涉为主标准，借助显微镜瞄准对线，手工记录激光干涉仪上的读数^[1]。以检定2 m的铟瓦水准标尺为例，需要瞄准和测量很多条刻线，最后还要人工将记录的数据输入计算机进行数据处理，劳动强度大，工作效率低，难以满足广大客户需求。

    另外，当前市场上大量使用数字水准仪。国家质监总局2003 年颁发的水准仪检定规程，对数字水准仪的检定方法在附录中有了解释，但有两个问题还是没有解决：（1）对数字水准仪与条码尺配合使用的综合测量误差没有说明^[2]；（2）没有检测条码尺，其是否准确也不知道。为了彻底解决数字水准仪的溯源性问题，对其综合误差和条码尺进行有效的测量，研发了该套多功能线纹尺测量装置^[3]。

2 总体介绍

    基本原理：采用伺服电机驱动工作台进行初始定位，由激光干涉仪精确测量移动的距离 L，再经过 CCD 图像处理进行^[4]，确定零位起始中线的像素P₀和被测刻线的中线像素值 P_m，取其差值与像素的标定值 e 相乘，则被测刻线的中线与零位起始中线的实际距离 L_P按式（1）计算^[5]。测量流程如图1。

    L_P= L +（P_m- P₀）e                                             （1）

3 硬件实现

    （1）主标准器。系统的被测对象为准确度等级比较高的线纹尺，采用激光干涉仪是最好的选择^[6]。实际使用 RENISHAW 公司的 ML10 激光干涉仪，最大允许误差±0.7×10^-6L，L 为测量距离。

    （2）传动系统。为方便达到 5 m 的量程，项目采用的同步带传动，它具有工作无滑动、平稳、缓冲减振的能力以及传动效率高（0.98）的优点。

    （3）导轨运动部分。为减少运动中的角摆误差，导轨运动的直线度不能超过 0.02 mm/m，日本 IKO公司的精密滚子直线导轨可以满足要求。该公司最长的导轨只能做到 3 m，量程要达到 5 m 必须驳接。基准面尺寸设计为长 5.3m、宽 0.2m、高 0.3 m，表面的平面度在全长5 m范围内不超过 0.01mm。

    （4）运动伺服系统。项目仅是单轴控制，不需要任意两轴之间的圆弧插补等运算，选择了实用性强的国产MSP8048 运动控制卡。该运动控制卡推荐适配武汉迈信科技的交流伺服驱动器和伺服驱电机。

    （5）图像采集系统。项目选择北京微视公司自主开发的MVC3000F工业相机。标准钢卷尺与铟瓦尺的高度相差超过 40mm，要兼顾两者测量，配备了运近可调光学镜头。