CN100395521C - 手机盖板平面度在线测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

手机盖板平面度在线测量***及测量方法，其特征是***构成采用喷嘴挡板式气动测量装置，以喷嘴挡板式气动测量装置输出的背压信号为测量信号，各测点上的背压测量信号分别经过各自的数据采集通道，至计算机***进行数据处理和显示；在气动测量装置中，以被测工件作为喷嘴挡板结构中的挡板，与挡板配合设置的气动测头夹持在测头夹板上；对应于被测工件上设置至少四个不在同一位置上的测点，所有测点位置上的气动测头的喷嘴端面处在同一标准平面上。本发明能够在线自动测量工件平面度，精度高，可快速高效地对批量生产的工件的合格品进行分选。

Description

手机盖板平面度在线测量***及测量方法

技术领域：

本发明涉及应用在生产现场中的自动测量***，更具体地说是对于手机保护盖板进行大批量生产现场自动测量的***。

背景技术：

目前，在手机保护盖板的生产中，对其平面度的测量完全是由人眼观测进行，直接在生产现场观察工件表面的凹凸情况来进行平面度的大致的判断，从而区分合格与不合格的工件。但是，这种判断方法无法得出工件具体的平面度数值，只能凭借工人的主观视觉粗略判断合格品与不合格品，这种判断方式不仅工人的劳动强度大，而且可靠性差，误判性较大。

发明内容：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种手机盖板平面度在线测量***及测量方法。该***不仅能够在生产现场在线自动测量工件的平面度，而且精度高，可以快速高效地对批量生产的工件的合格品进行分选。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明测量***的特点是：

***构成为：采用喷嘴挡板式气动测量装置，以所述喷嘴挡板式气动测量装置输出的背压信号为测量信号，各测点上的背压测量信号分别经过各自的数据采集通道，至计算机***进行数据处理和显示；

在所述气动测量装置中，以被测工件作为喷嘴挡板结构中的挡板，与挡板配合设置的气动测头夹持在测头夹板上；对应于被测工件上设置至少四个不在同一位置上的测点，所有测点位置上的气动测头的喷嘴端面处在同一标准平面上。

本发明以上述测量***进行手机盖板平面度测量的测量方法特点是：

根据被测工件的形状分布各个被测点，在所述标准平面上确定x-y坐标系，因此得到每个测点的x和y坐标值，由气动测量装置测得每个测点位置处工件与喷嘴端面之间的间隙，即z值，采用最小二乘法评定平面度误差。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、由于被测手机盖板较软较薄，质量轻，易变形，采用接触式测量会使被测工件发生变形，带来较大的平面度测量误差，本发明采用非接触式气动测量，有效避免了工件变形，提高测量准确性。

2、由于被测工件形状不规则，在测量平面度时需要选取多个测点进行采样，生产实际中，被测工件为大规模批量生产，检测效率要求为2-3秒检测一个工件，即所要求的检测速度较高，本发明采用气动测量的方式具有较高的动态响应速度，能够很好地满足在线测量的速度要求。

3、平面度误差定义为被测工件实际表面对理想平面的变动量，理想平面的位置应符合最小条件，即理想平面与实际平面的相互位置应使实际平面对理想平面的最大变动量为最小。本发明采用最小二乘法计算平面度误差可以比较方便地用计算机进行编程，实现数据处理，使平面度的测量达到迅速、准确、可靠。

附图说明：

图1为本发明***构成示意图。

图2为本发明被测工件上测点分布示意图。

图3为本发明测头夹板结构主视示意图。

图4为本发明测头夹板结构俯视示意图。

图中标号：1被测工件、2测头夹板、3测点a、4测点b、5测点c、6测点d、7测点e、8气动测头a、9气动测头b、10气动测头c、11气动测头d、12气动测头e。

以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述：

具体实施方式：

参见图1，压缩空气从气源经过空气过滤器滤清后进入各稳压器，各稳压器输出同一个固定的工作压力值，压缩空气经节流孔流向气动测头，并在气动测头的喷嘴中喷出，被测工件表面即为挡板，以此构成喷嘴挡板机构。节流孔与气动测头之间管段中的气流压力为“背压”，背压与喷嘴挡板的间隙呈一一对应的函数关系。各传感器分别将各测点形成的背压转换为标准电压值输出，并由各通道数据采集卡对该电压值进行采集，结合各喷嘴与被测工件的间隙值，采用最小二乘法即可得到工件的平面度误差。

图2、图3和图4所示，在气动测量装置中，以被测工件1作为喷嘴挡板结构中的挡板，与挡板配合设置的气动测头夹持在测头夹板2上；对应于被测工件1设置至少四个不在同一位置上的测点，本实施例中共设五个测点，包括测点a 3、测点b 4、测点c 5、测点d 6和测点e7，测头夹板2上对应设置的气动测头亦为五只，包括气动测头a 8、气动测头b 9、气动测头c 10、气动测头d 11和气动测头e 12，五只气动测头的喷嘴端面处在同一标准平面上。

气动测量是以压缩空气为介质，利用空气在管道中的流量和压力随管道的几何尺寸或形状变化的特性，将尺寸量或位移量变化转化为流量或压力变化量，从而实现高精度的测量。气动测量具有系列的优点：属于相对测量，可以获得很高的测量精度，尤其适合形状误差的测量；非接触式测量不会划伤工件表面，测量力很小；能吹去附于工件表面的油、水和灰尘，具有自洁作用，能提高测量精度；结构简单、操作维修方便；对周围环境要求不高，适用于生产现场的在线使用；稳定性好，配合使用数字化测量技术的计算机技术使测量得以智能化、数字化。

测量***中各器件及参数的选择：

气源，工作压力为0.8MPa，排气量为0.046m³/min。

滤清器，用于滤除压缩空气含的水、油和共它杂质，以提高测量精度。

工作压力的选择，工作压力是指经过滤清、稳压后提供给背压气室的压力，对于硬度较低的工件选择较小的工作压力，以防止被测工件发生变形；对于重量较小的工件选择较小的工作压力，以免工件被吹起；对于表面油、水、灰尘较重的场合，选择较高的压力，使测量具有自洁能力。试验表面，较为合适的工作压力为0.5Kgf/cm²。

稳压器，每一路测量单元需要分别设置稳压器，稳压器按照设定的工作压力值，如0.5Kgf/cm²进行压力设定。

压力传感器，每一个测头对应设置各自的压力传感器，对于测量***50KPa的工作压力，传感器的量程设定为80KPa，工作电压为12VDC，输出为1-5V，精度为0.5％F/S。

气动测头，采用非接触式气动轴向测头，喷嘴孔是圆孔，测量的线性段不能太短，可以为0.1mm左右，而喷嘴直径越小，线性段就越短，但线性段太小，会给测量带来很大的困难，但由于被测工件的表面形状特征，喷嘴直径也不能太大，因此，可以选定各个喷嘴的直径均为0.8mm，这样在保证较大线性段的情况下尽量减小喷嘴的直径。

节流孔，节流孔和测量喷嘴匹配后，在给定的工作压力下，其背压-间隙特性曲线的直线段应包含测量范围，节流孔的直径确定为0.8mm。

数据采集卡，选择台湾ADLINK公司的PCI-9111DG型数据采集卡，该卡是一种基于PCI总线的高性能数据采集卡，具有：32位PCI总线，即插即有，16路双极性单输入，采集卡将五个传感器输出的电压值采集输入计算机之后，结合气动测头标定实验中电压值与间隙值的线性关系，就可以得到各个测点的z坐标值。

最小二乘法评定平面度误差的方法是以最小二乘拟合平面作为评定基面来求得平面度误差的方法。最小二乘中心平面的建立方法为：

设最小二乘平面方程为：Z＝AX+BY+C

只要确定了A、B、C的值，就确定了这个平面方程，以下来求解A、B、C的值。设实测工件平面上各点的坐标为(x_i，y_i，z_i)(i＝1Λ，k)根据最小二乘法原理可知，实测平面上各点的值(x_i，y_i，z_i)与最小二乘平面上各点的距离平方和为最小，即 $F=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Ax}}_i+{\mathrm{By}}_i+C-z_i)}^2$ 为最小。根据极值原理，要使F的值为最小，就要使F对A、B、C的偏导值为零。即

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂F}{\∂A}=0\\ \frac{\∂F}{\∂B}=0\\ \frac{\∂F}{\∂C}=0\end{array}\right.$

解上列方程组，可得确定该平面的3个参数为

$\left\{\begin{array}{c}A=\frac{S_{12}{S}_{23}-S_{13}{S}_{22}}{{S_{12}}^2-S_{11}{S}_{22}}\\ B=\frac{S_{12}{S}_{13}-S_{11}{S}_{23}}{{S_{12}}^2{-S}_{11}{S}_{22}}\\ C=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i-A\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i-B\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{k}\end{array}\right.$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{11}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x_i}^2-\frac{1}{k}{\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2\\ S_{12}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\\ S_{13}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{z}_i-\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\\ S_{22}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y_i}^2-\frac{1}{k}{\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\right)}^2\\ S_{23}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i-\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\end{array}\right.$

根据以上求解得到A、B、C的值就建立了最小二乘平面方程，分别求出平面上各测点对最小二乘平面的偏移量D_i＝Ax_i+By_i+C-z_i，判断找出D_i的最大值D_max和最小值D_min，则被测平面的平面度误差为 $\mathrm{\Δt}=\frac{D_{\max }-D_{\min }}{\sqrt{A^2+B^2+1}}.$

显然，测点在工件上分布的位置确定后，在平面上确定好x-y坐标系，就可得到各个测点的x坐标和y坐标。若初始时各个气动喷嘴的端面在同一标准平面上，那么在测量工件时，各个喷嘴距工件测点的不同间隙值就为各个测点的z坐标值。

将气路无漏气连接妥当后，用标准量块标定五个气动喷嘴的特性曲线，以保证五个喷嘴与工件的间隙值都在各喷嘴的线性范围内，标定气动测头时需注意，在打开空压机工作以后，不能立即开始记录数据，需等待一段时间，至气源较为稳定，电压表数值稳定后再开始记录数据。

具体实施中，选用PCI-9111DG型数据采集卡，该卡是一种基于PCI总线的高性能数据采集卡。选用ACLD-9188型端子板通过电缆与数据采集卡相连，这样可以在端子板上方便地接入模拟电压输入信号。

采集卡将五个传感器输出的电压值采集进计算机后，结合气动测头标定实验中电压值与间隙值的线性关系，就可得到各个测点的z坐标值。五个在各自线性范围内的间隙值都得到后，就可以根据以上介绍的平面度的计算方法编写程序得到被测工件的平面度了。根据要求平面度在0.06mm以内为合格品，超过0.06mm就为次品。

测量步骤为：首先将五个气动测头的喷嘴端面都校准在同一标准平面上，校准后，五个测头就必须同时上下垂直移动。然后将五个测头同时抬高，并将工件放入平面上，调整五个测头与工件的间隙值，使界面显示的五个间隙值都在喷嘴特性曲线的线性范围内，待读数稳定后，就可得出工件的平面度数值。若有个别喷嘴与工件的间隙值超出喷嘴的线性范围，则需调整五个测头与工件的间隙，以保证五个间隙值都在喷嘴特性曲线的线性范围内，才能得出工件正确的平面度。

在实际测量时，对生产线上大批量生产的工件进行了抽样测试，下表列出了10个工件五次重复测量的平面度数值。

由以上实验数据可见，该套测量***测量的重复性好，精度高，分辨率可达1μm。利用该套***可实现对手机保护盖板和盖板的框架等同类零件平面度的精确测量，操作方便，迅速，精度可达0.01mm，并可为自动生产线对工件的合格品与不合格品进行快速分选。该***

适合工业现场的高效高精度的全自动测量和生产过程的自动化控制。

Claims (4)

1.手机盖板平面度在线测量***，其特征是：

所述***构成为：采用喷嘴挡板式气动测量装置，以所述喷嘴挡板式气动测量装置输出的背压信号为测量信号，各测点上的背压测量信号分别经过各自的数据采集通道，至计算机***进行数据处理和显示；

在所述气动测量装置中，以被测工件(1)作为喷嘴挡板结构中的挡板，与挡板配合设置的气动测头夹持在测头夹板(2)上；对应于被测工件(1)上设置至少四个不在同一位置上的测点，所有测点位置上的气动测头的喷嘴端面处在同一标准平面上。

2.根据权利要求1所述的测量***，其特征是对应于被测工件(1)设置五个不在同一位置上的测点，包括测点a(3)、测点b(4)、测点c(5)、测点d(6)和测点e(7)，测头夹板(2)上对应设置的气动测头亦为五只，包括气动测头a(8)、气动测头b(9)、气动测头c(10)、气动测头d(11)和气动测头e(12)，五只气动测头的喷嘴端面处在同一标准平面上。

3.一种权利要求1或2所述测量***的手机盖板平面度测量方法，其特征是：

根据被测工件的形状分布各个被测点，在所述标准平面上确定x-y坐标系，因此得到每个测点的x和y坐标值，由气动测量装置测得每个测点位置处工件与喷嘴端面之间的间隙，即z值，采用最小二乘法评定平面度误差。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征是所述最小二乘法评定平面度误差的方法是以最小二乘拟合平面作为评定基面来求得平面度误差；

设最小二乘拟合平面方程为：Z＝AX+BY+C

确定该平面方程的A、B、C三个参数为

$\left\{\begin{array}{c}A=\frac{S_{12}{S}_{23}-S_{13}{S}_{22}}{{S_{12}}^2-S_{11}{S}_{22}}\\ B=\frac{S_{12}{S}_{13}-S_{11}{S}_{23}}{{S_{12}}^2-S_{11}{S}_{22}}\\ C=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i-A\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i-B\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{k}\end{array}\right.$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{11}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x_i}^2-\frac{1}{k}{\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2\\ S_{12}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\\ S_{13}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{z}_i-\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\\ S_{22}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y_i}^2-\frac{1}{k}{\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\right)}^2\\ S_{23}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i-\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\end{array}\right.$

根据A、B、C的值建立最小二乘拟合平面方程，分别求出各测点对最小二乘拟合平面的偏移量D_i＝Ax_i+By_i+C-z_i，判断找出D_i的最大值D_max和最小值D_min，则被测平面的平面度误差为 $\mathrm{\Δt}=\frac{D_{\max }-D_{\min }}{\sqrt{A^2+B^2+1}}.$

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