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激光對(duì)中儀自動(dòng)校準(zhǔn)研究

一、 引言

   1、概述

在各單位生產(chǎn)過(guò)程中，常將幾臺(tái)單獨(dú)的機(jī)器聯(lián)結(jié)為機(jī)組，使之在電機(jī)的帶動(dòng)下完成各種工作。這種聯(lián)接必須使機(jī)器的軸對(duì)中，如果設(shè)備對(duì)中不良,會(huì)造成軸承過(guò)早損壞、聯(lián)軸節(jié)摩擦增大、轉(zhuǎn)軸發(fā)生往復(fù)移動(dòng)等問(wèn)題,從而降低設(shè)備的能源使用效率,大大縮短設(shè)備的使用壽命。此外,對(duì)中不良會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)軸密封性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

軸對(duì)中的測(cè)試方法及工具也在不斷地改進(jìn)。軸對(duì)中的方法，從靠背輪對(duì)中、逆向讀表法對(duì)中、到今天的激光對(duì)中儀。激光對(duì)中儀使軸對(duì)中這一專(zhuān)業(yè)的復(fù)雜的對(duì)中過(guò)程，變?yōu)橐粋€(gè)簡(jiǎn)便的操作過(guò)程。目前，我公司檢修工程部電器修造作業(yè)區(qū)及電氣一作業(yè)區(qū)和電氣二作業(yè)區(qū)分別使用激光對(duì)中儀，用于電機(jī)檢修安裝過(guò)程中輔助檢修人員對(duì)兩個(gè)水平安裝的機(jī)械軸進(jìn)行對(duì)中。

2、激光對(duì)中儀的工作原理及優(yōu)勢(shì)

過(guò)去主要使用千分表法來(lái)對(duì)中,該方法的zui大缺點(diǎn)是觸點(diǎn)受力變化會(huì)引起千分表支架位移,影響對(duì)中精度,且安裝、觀(guān)測(cè)操作不便,工作效率低。因此，激光對(duì)中儀的隨著生產(chǎn)需求被開(kāi)發(fā)出來(lái)。激光對(duì)中儀是國(guó)外開(kāi)發(fā)的一種先進(jìn)、的設(shè)備對(duì)中儀器,具有精度高、效率高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。激光具有的方向性和單色性。方向性是指激光的光束發(fā)散角極小,基本沿直線(xiàn)傳,到達(dá)接收器時(shí)能量損失很小;單色性是指激光波單一,易被接收器識(shí)別,不易受外界光干擾。激光對(duì)中儀正是應(yīng)用了激光的這兩大特點(diǎn)。

圖4為一對(duì)需要對(duì)中的設(shè)備示意圖。
 

圖1

二、 激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)

1、激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)必要性

激光對(duì)中儀出廠(chǎng)時(shí)是各部件配套供應(yīng)，各部件之間不能互換，長(zhǎng)期使用后由于激光參數(shù)、放大器、轉(zhuǎn)換器、位置探測(cè)器等部件的增益、損耗、線(xiàn)性會(huì)發(fā)生變化，因此會(huì)引起激光對(duì)中儀測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生變化，使儀器測(cè)量誤差加大，儀器的說(shuō)明書(shū)中也建議激光對(duì)中儀應(yīng)定期進(jìn)行校驗(yàn)，

2、激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)方法原理

目前激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家檢定規(guī)程，現(xiàn)送中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)失準(zhǔn)時(shí)沒(méi)有有效的檢測(cè)工具，無(wú)法實(shí)施校準(zhǔn)檢測(cè)，因此，為方便工序使用，保障激光對(duì)中儀的使用，提高其使用效率，現(xiàn)對(duì)激光對(duì)中儀實(shí)施自校準(zhǔn)，提出以下校準(zhǔn)思路：通過(guò)對(duì)激光對(duì)中儀的原理分析，激光對(duì)中儀主要是零點(diǎn)的校準(zhǔn)和兩軸之間位移量的變化，通過(guò)公式計(jì)算，從而得出電機(jī)底角的調(diào)整量。因此，根據(jù)激光對(duì)中儀的測(cè)量原理和測(cè)量過(guò)程的特點(diǎn)，提出用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)的組合裝置，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)。

3、校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成

激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)裝置由以下裝置構(gòu)成：三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)，芯軸（加工），工具顯微鏡，微動(dòng)工作臺(tái)（加工）。加工件如下圖所示：
 

（微動(dòng)工作臺(tái)圖）圖2

4、校準(zhǔn)思路

通過(guò)對(duì)激光對(duì)中儀的測(cè)量原理及使用說(shuō)明書(shū)可知，激光對(duì)中儀的誤差主要有零位誤差和位移量測(cè)量誤差，對(duì)于零位誤差，其中用三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)和芯軸組合，實(shí)現(xiàn)測(cè)量，對(duì)于激光對(duì)中儀位移變量的校準(zhǔn)，通過(guò)工具顯微鏡，微動(dòng)工作臺(tái)及夾具實(shí)現(xiàn)其測(cè)量

5、可行性分析

5.1零位校準(zhǔn)

激光對(duì)中儀的零位校準(zhǔn)是指在激光對(duì)中儀在進(jìn)行測(cè)量時(shí)的零位自校，即輸入電機(jī)參數(shù)后，激光對(duì)中儀轉(zhuǎn)過(guò)九點(diǎn)鐘、三點(diǎn)鐘，十二點(diǎn)鐘三個(gè)方向時(shí)激光對(duì)中儀的示值。對(duì)零位進(jìn)行校準(zhǔn)，就需要兩根*同軸的芯軸，并能360度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而三米測(cè)量機(jī)具有良好的同軸度，可自由旋轉(zhuǎn)，可在導(dǎo)軌上平行移動(dòng)3m,且經(jīng)甘肅省計(jì)量研究院檢定合格，具有量值溯源性。因此，*可以實(shí)現(xiàn)激光對(duì)中儀的零位校準(zhǔn)。

5.2位移量的校準(zhǔn)，

激光對(duì)中儀的位移量的測(cè)量是指激光對(duì)中儀S靶和M靶軸向和橫向位移變量的測(cè)量，因此，可將激光對(duì)中儀的S靶放置在微動(dòng)工作臺(tái)上，把M靶放在工具顯微鏡上的鏡頭上，通過(guò)前后、左右移動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)，讀取激光對(duì)中儀的示值，由于移動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)額數(shù)值可從工具顯微鏡上讀出來(lái)，且工具顯微鏡上的測(cè)量誤差為1.5um，遠(yuǎn)小于激光對(duì)中儀測(cè)量誤差的3分之一，所以采用工具顯微鏡和微動(dòng)工作臺(tái)的方式*可以實(shí)現(xiàn)激光對(duì)中儀位移變量的測(cè)量

6、激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)方法及過(guò)程

6.1. 激光對(duì)中儀零位校準(zhǔn)

采用三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)進(jìn)行比較測(cè)量見(jiàn)圖3。

 

           1-三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)尾架；2-芯軸；3-激光對(duì)中儀

圖3

6.1.1儀器調(diào)整

在三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)尾架上安裝好校準(zhǔn)使用的芯軸；將激光對(duì)中儀安裝在芯軸上兩激光單元位置在12點(diǎn)鐘方向；調(diào)整S、M激光單元對(duì)準(zhǔn)激光束。

6.1.2零位校準(zhǔn)

激光對(duì)中儀在芯軸12點(diǎn)鐘方向設(shè)置零位數(shù)值。

6.1.3校準(zhǔn)點(diǎn)的選取

激光對(duì)中儀在芯軸的180°范圍內(nèi)的3、9、12點(diǎn)鐘方向，共計(jì)3個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)見(jiàn)圖4。 

圖4

轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸，使激光對(duì)中儀兩激光單元同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，位于9點(diǎn)鐘位置，采集示值。然后再次轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸，使激光對(duì)中儀兩激光單元同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，位于3點(diǎn)鐘位置，采集示值。zui后轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸，使激光對(duì)中儀兩激光單元同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，位于12點(diǎn)鐘位置，采集示值，并使用水平儀復(fù)查。

6.2垂直平面與水平面示值的校準(zhǔn)

采用工具顯微鏡進(jìn)行比較測(cè)量見(jiàn)圖5。

1-工具顯微鏡；2-讀數(shù)窗；3-固定架；4、5-兩激光單元；6-微動(dòng)工作臺(tái)

圖5

6.2.1儀器調(diào)整

在工具顯微鏡固定架上安裝好被校準(zhǔn)的S激光單元，并將其測(cè)量軸線(xiàn)y方向上與工具顯微鏡y向測(cè)量軸線(xiàn)重合。

調(diào)整S激光單元使其激光束與工具顯微鏡微動(dòng)工作臺(tái)保持垂直。

將M激光單元安裝在工具顯微鏡微動(dòng)工作臺(tái)上；

調(diào)整M激光單元對(duì)準(zhǔn)，保證兩單元相互垂直。

6.2.2校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇

根據(jù)激光對(duì)中儀的測(cè)量范圍，保證測(cè)量精度，在x方向上、y方向上正反行程各選擇11點(diǎn)（包括零點(diǎn)）進(jìn)行比較測(cè)量。

6.3測(cè)量允許誤差的確定

根據(jù)激光對(duì)中儀操作說(shuō)明書(shū)要求其顯示精度不應(yīng)超過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的±2%。對(duì)每點(diǎn)在正反行程（包括零點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)量，誤差處理的方法，共測(cè)量11個(gè)測(cè)量點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果按1μm進(jìn)行修約

7、該組合裝置對(duì)激光對(duì)中儀實(shí)施校準(zhǔn)的測(cè)量不確定的分析驗(yàn)證

對(duì)激光對(duì)中儀進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行零位校準(zhǔn)時(shí)，主要的不確定度分量為測(cè)量重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)裝置分別引入的不確定度分量，由溫度引起的不確定度分量由于激光對(duì)中儀的靶面均與同樣的環(huán)境下，所以不做分析。

7.1零位校準(zhǔn)的不確定度分析

零位校準(zhǔn)由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量為u1

在重復(fù)性測(cè)量條件下，選擇三點(diǎn)鐘方向，重復(fù)項(xiàng)測(cè)量10次，測(cè)量數(shù)據(jù)均為0，則由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量為0，自由度為9，

對(duì)于三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)引入的不確定分量，選擇B類(lèi)方法評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)引入的誤差為1.5um,符合均勻分布，則不確定度分量u2為

在重復(fù)性測(cè)量條件下，分別選擇橫向和縱向方向，重復(fù)項(xiàng)測(cè)量10次，分別用A類(lèi)不確定方法，評(píng)定其測(cè)量誤差，用貝塞爾函數(shù)計(jì)算得：0.56um和0.63um，則激光對(duì)中儀進(jìn)行橫向和縱向由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量為分別為0.56um和0.63um，自由度為9，

工具顯微鏡的測(cè)量誤差為1.5um，選擇B類(lèi)方法評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)引入的誤差為1.5um,符合均勻分布，則不確定度分量u2為

其擴(kuò)展不確定度小于激光對(duì)中儀的zui大測(cè)量誤差的三分之一，所以此校準(zhǔn)方法符合要求

三、 結(jié)論

通過(guò)上述分析可知，通過(guò)該套組合裝置，可以實(shí)現(xiàn)激光對(duì)中儀的自主校準(zhǔn)，當(dāng)激對(duì)中儀失準(zhǔn)時(shí)可及時(shí)檢測(cè)校準(zhǔn)，方便及時(shí)。