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    C2型小角度检查仪升级改造研究

    时间：2023-04-07 21:40:02来源：百花范文网本文已影响人

    马倩

    （中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000）

    小角度检查仪是一种用于产生标准微小角度的几何量测量仪器[1]，其产生的标准角度范围为0′～40′。

    公司现有的C2型小角度检查仪属于20世纪70年代产品，是在筋形工作台固定轴间距上装配光学计，并配合量块调整工作台倾斜，从而复现标准角度。每调整一个角度，需要组合不同尺寸的量块，且所复现的小角度量值是离散间断的；
    不同量块存在的误差不一样，组合后会带来更大的测量误差，从而影响测量结果。该仪器操作步骤复杂，读数不直观，后期数据处理过程繁琐，在很大程度上制约了检测质量和效率。

    因该仪器已使用近40余年，存在整体精度下降、光学系统老化、平工作台和带筋工作台平面度超差、机械结构锈蚀和运动不畅等问题，并且不能开展框式水平仪和条式水平仪的检定工作。而平板、平尺、合像水平仪、框式水平仪和条式水平仪等工作计量器具在公司内均有大量应用，总计约114台。

    因此，为解决当前公司C2型小角度检查仪技术指标下降、工作效率低、人为误差大等问题，结合应用广泛的光电传感器技术和计算机控制技术对原有C2型小角度检定仪进行升级改造研究[2]，提高公司小角度量传技术水平，为公司各型号产品科研和生产提供高质量和高效率的量传服务是十分必要的。

    1.1 总体设计思路

    升级改造后的小角度检查仪标准装置设计如图1所示，主要包括小角度检查仪、操作平板和控制柜三部分。在LabVIEW软件编写环境中进行软件设计，开发人机交互界面，实现操作平板和控制柜对小角度检查仪的自动控制，小角度检查仪自动产生标准小角度和显示数据。操作简便、快捷，只需在小角度检查仪上对被检定水平仪进行简单的操作，在操作平板上输入被检水平仪的相关信息并按“开始检定”，装置将按照规程自动生成标准角度，并在显示仪表和操作平板上显示，对被检水平仪角度与标准角度进行比较得出结果，将当前被检对象显示输入操作平板，自动计算存储。装置配备手动螺母，方便手动和自动模式转换。

    图1 小角度检查仪标准装置结构框图

    升级改造后，可提高测量精度和工作效率，扩展测量范围。长度计测量范围为12 mm；
    全量程最大允许误差为±0.2 μm；
    装置量程为±70′（±21 mm/m）；
    最大允许误差为±0.2″（±0.001 mm/m）；
    分辨力为：长度分辨率为0.01 μm，角度分辨率为0.01″（数字显示）；
    工作台平面度≤1 μm。

    1.2 设计加工仪器主体工作台

    对原有C2型小角度检查仪的平面工作台重新设计、加工研磨，基体设计结构如图2所示。

    图2 小角度装置基体设计图

    具体设计加工内容还包括长度计安装立柱、装置基座、升降台转接台、工作平台、安装把手等零部件。

    长度计安装立柱结构设计如图3所示,装置基座结构设计如图4所示。

    图3 长度计安装立柱图

    图4 装置基座（大理石）图

    升降转接台结构设计如图5 所示，工作平台结构设计如图6所示。

    图5 升降转接台图

    图6 工作平台图

    安装把手结构设计如图7所示。

    图7 安装把手设计图

    1.3 设计构建标准小角度

    采用反正弦原理构建标准小角度[3]，高度H与弦长L（500 mm）之比的反正弦作为标准角度兹，即兹=arcsin(H/L)，一般兹较小（1毅以内），则有兹=H/L。

    1.3.1 测量基准构建

    测量基准选用两只MT1281（海德汉）高精度进口长度计，两者之差作为H，长度计测量范围为12 mm，全程最大允许误差为依0.2 滋m（环境温度为20 依2 益），装置量程为依70忆（依21 mm/m），最大允许误差为依0.2义（依0.001 mm/m）。

    1.3.2 中心线距离确定

    两长度计中心线距离L由500～525 mm外径千分尺进行精确标定（U=3 滋m），并写入软件。

    1.3.3 显示仪表选用

    选用ND287（海德汉）高精度显示仪表，保证足够分辨率和数字显示稳定。

    1.3.4 准确度要求

    平面工作台平面度臆0.5 滋m，平面工作台平行度臆1 滋m，放置水平仪平工作台平面研磨准确度要求臆1 滋m，长度计测量轴线与工作台垂直度准确度要求为5 滋m/12 mm。

    调整修理原小角度检查仪机械结构，确保各部件运动灵活、匹配合理。机械结构稳定可靠，电动升降台与长度计测量轴线一致，保证相应制造准确度和装配准确度。

    1.4 电动机控制及驱动设计

    采用松下两相步进电动机控制驱动，基于PID电流控制算法设计，使电动机具有高速大力矩输出、低噪声、低振动、低发热的特性。选用THK丝杆和导轨，确保良好直线度和稳定性；
    电动机、丝杠和导轨组成装置运动部件，运用楔形结构传动，运动最小步距小于0.23 滋m，负载能力为20 kg。其电动机控制和驱动功能框图如图8所示，电动机连接框图如图9所示，控制信号连接框图如图10所示。

    图8 电动机控制和驱动功能框图

    图9 电动机连接框图

    图10 控制信号连接框图

    1.5 测量软件设计

    运用计算机控制系统，采用LabVIEW软件编写。软件功能包括：1）自动控制算法。同时控制2台电动机，产生需要角度。2）控制软件。根据规程水平仪分类，设计不同控制角度；
    3）控制测头位置和采集数据。对复现的小角度测量数据进行存储与实时显示，自动生成测试报告和打印、测试任务的分类查询、检测帮助等。软件界面具有良好的交互特性，线值和角度值可直接切换，省去人工换算时间。

    1.6 配置标准装置所需配套标准器具

    参考JJG 300-2002《小角度检查仪检定规程》[4]、JJF 1059.1-2012《测量不确定度的评定及表示》[5]等配备所需的配套标准器具（如表1），建立小角度检查仪标准装置。

    量传对象中电子水平仪和2级自准直仪允许误差极限最小，以检定测量范围为依1毅、准确度等级为2级的自准直仪为例来评定升级改造后的小角度检查仪测量结果不确定度[6]，得出扩展不确定度U=0.3义（k=2）。重复性为0.10义，小于合成标准不确定度的2/3。稳定性为0.06义，小于合成标准不确定度。不确定度验证选用比对法，通过与国防5111二级计量站和国防5112二级计量站进行试验结果比对，满足考核要求[7]。满足国防科技工业二等小角度标准装置考核要求，达到国内先进水平。可以开展电子水平仪、合像水平仪、2级以下自准直仪、光学测角比较仪和框式/条式水平仪、平板、平尺的量值传递工作。

    1）运用光电传感器技术和计算机控制技术对公司原有C2型小角度检查仪进行升级改造，替代原有以量块为测量基准的测量方法，实现自动产生标准角度和数字显示，提高小角度复现精度、分辨率和工作效率。

    2）升级改造后，小角度检查仪的扩展不确定度U=0.3义（k=2），重复性、稳定性、试验比对结果满足国防科技工业二等小角度标准装置考核要求，达到国内先进水平，提升了公司小角度的量传能力，为高准确度小角度测量拓展出了新的空间。

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