張 豐 曾燕華 傅云霞/ 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

激光準(zhǔn)直測量[1]系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量針對性強(qiáng)，而被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、核工業(yè)設(shè)備制造等行業(yè)[2]。該測量系統(tǒng)的被測對象均為大型工業(yè)設(shè)備，且多為進(jìn)口，國內(nèi)極少生產(chǎn)，因此量傳工作存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。

單靶型是常見的準(zhǔn)直測量系統(tǒng)，主要用于大空間內(nèi)的平面度、直線度、垂直度、平行度測量。單靶型測量系統(tǒng)如圖1所示。激光器產(chǎn)生一條準(zhǔn)直光束，激光器靜止時(shí)通過二維接收靶測得二維方向上的直線度，激光旋轉(zhuǎn)時(shí)可作為掃平儀使用。本文主要研究了單靶型測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過研究，解決了測量系統(tǒng)的溯源問題，為使用單位提供有力的計(jì)量技術(shù)支持。

1 裝置的構(gòu)成和工作原理

圖1 單靶型

單靶型測量系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置包括：二維校準(zhǔn)臺、剪式升降臺、大理石平臺（不小于10 m）、光靶及裝夾用附件。二維校準(zhǔn)臺與剪式升降臺的工作范圍能使整套被測系統(tǒng)等高。大理石平臺、剪式升降臺及光靶用于激光與接收靶的光路調(diào)整，屬于專用輔助設(shè)備。

二維校準(zhǔn)臺是整套裝置的核心部分，如圖2所示，調(diào)整機(jī)構(gòu)包含了三軸調(diào)整：水平旋轉(zhuǎn)、前后俯仰和左右傾斜，使靶的接收面調(diào)整至與激光光路垂直。平移機(jī)構(gòu)采用直頂?shù)姆绞?，其中水平移動方向?yàn)镠，垂直移動方向?yàn)閂。通過模擬二維方向上的偏離值測得接收靶的示值誤差[3]。

圖2 二維校準(zhǔn)臺示意圖

二維校準(zhǔn)臺功能應(yīng)滿足三個自由度的調(diào)整和H、V 方向的二維平移，測量范圍：0～25 mm，測微頭作為量傳的主要部件，示值誤差應(yīng)達(dá)到±2μm，二維校準(zhǔn)臺的示值誤差達(dá)到±1μm/mm。

2 校準(zhǔn)方法

根據(jù)標(biāo)稱的技術(shù)參數(shù)，激光準(zhǔn)直測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：接收靶示值誤差±（0.01 mm+L/100），其中L為示值（mm）；激光的掃平誤差[4]±0.02 mm/m。因掃平誤差已有公認(rèn)的測量方法，本文僅對接收靶的示值誤差進(jìn)行分析。

接收靶作為整套系統(tǒng)中主要的測量元件，對激光光斑的形狀大小沒有嚴(yán)格要求，僅與光斑的能量中心相關(guān)，因此校準(zhǔn)時(shí)只需準(zhǔn)確測得H 向和V 向的示值誤差，而不需要進(jìn)行激光其他特性的校準(zhǔn)，如頻率、頻率的穩(wěn)定性等。

校準(zhǔn)前被校測量系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行充分預(yù)熱。如圖3所示，由于各部分是分離的，因此首先進(jìn)行相對位置的調(diào)整：調(diào)節(jié)剪式升降臺A 和接收靶C的高度，使激光器的出射孔與接收靶的中心大致等高。精確整平激光器，水準(zhǔn)器嚴(yán)格居中，調(diào)節(jié)激光旋轉(zhuǎn)頭，使激光器的出射光在H 向大致平行于大理石平臺的相應(yīng)邊。將被校接收靶固定在二維校準(zhǔn)臺D，使接收靶靶面平行于相應(yīng)的工作臺邊線，且無目視可見的夾角。精確調(diào)整二維校準(zhǔn)臺，使激光光束垂直于接收靶入射，且在接收靶的中心。校準(zhǔn)分別在距激光器輸出端的近點(diǎn)（不大于0.3 m）和遠(yuǎn)點(diǎn)（生產(chǎn)商或用戶定義的合理的使用范圍內(nèi)，如10 m）處進(jìn)行。

圖3 校準(zhǔn)裝置示意圖

校準(zhǔn)時(shí)單方向調(diào)節(jié)平移機(jī)構(gòu)以避免引入回程誤差的影響，分別按0→H+→0→H-→0→V+→0→V-→0的順序進(jìn)行，校準(zhǔn)過程中不重新置零。校準(zhǔn)點(diǎn)的選取采用先密后疏的方法，即接收靶中間區(qū)域的校準(zhǔn)點(diǎn)間隔相對小一些向外間隔大一些，每個方向的校準(zhǔn)點(diǎn)不少于5 個。重復(fù)測量3 次取平均值為該點(diǎn)的測量結(jié)果，各方向各點(diǎn)的示值誤差（Δli）：

lis—第 i 個校準(zhǔn)點(diǎn)的測量值

3 實(shí)驗(yàn)比較

在近點(diǎn)對0.5 mm 和4.5 mm的示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。以二維工作臺為標(biāo)準(zhǔn)器按上述方法進(jìn)行校準(zhǔn)（見表1）。以坐標(biāo)測量機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，二維工作臺僅作為產(chǎn)生平移的工具，在接收靶上固定一標(biāo)準(zhǔn)球，以坐標(biāo)測量機(jī)測得的球心移動的值為校準(zhǔn)結(jié)果（見表2）。

表1 二維工作臺的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表2 坐標(biāo)測量機(jī)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

兩種方法校準(zhǔn)的符合程度，通過En 值的計(jì)算判斷，當(dāng)En≤1時(shí)，證明兩種校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)結(jié)果較一致。

式中：Yi—不同方法的校準(zhǔn)數(shù)值（i=1、2）

Ui—不同方法校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度，k=2，（i=1、2）

按式（2）計(jì)算各點(diǎn)的En 值（表3），并取最大值：0.5 mm 處，En=0.6；4.5 mm 處，En=0.4。

表3 兩種方法的比較

兩種校準(zhǔn)方法的En 值小于1，證明本文的校準(zhǔn)方法可靠。

4 結(jié)語

模擬了二維位移，實(shí)現(xiàn)了單靶型激光準(zhǔn)直測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)，并經(jīng)過比對實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性和有效性，較好地解決了該測量系統(tǒng)的量值溯源問題，完善了上海和華東地區(qū)的量傳體系，為大飛機(jī)制造、船舶制造、核電設(shè)施的建設(shè)提供了有力而可靠的技術(shù)保障和支持。

[1]沙定國.光學(xué)測試技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2]吳健.激光對中儀的工作原理及其應(yīng)用[J].工具技術(shù)，2005，39（12）：72-74.

[3]JIAO Guo-hua,LI Yun-lin,ZHANG Dong-bo,LI Dong-hai,HU Bao-wen1.A laser shaft alignment system with dual PSDs[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：A卷英文版，2006，10：1772-1776.

[4]全國幾何量角度計(jì)量技術(shù)委員會.JJF 1166-2007[S].北京：中國計(jì)量出版社，2007.