陳熹

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

一種測(cè)量雙導(dǎo)軌位置度誤差的新方法

陳熹

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

介紹了一種新的位置度誤差測(cè)量方法，該方法利用激光器、PSD、LVDT、傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)組成的測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)ζ叫须p導(dǎo)軌的位置度進(jìn)行有效的測(cè)量。

位置度測(cè)量；雙導(dǎo)軌；PSD

在精密檢測(cè)行業(yè)中，經(jīng)常要用到平行雙導(dǎo)軌構(gòu)造，并且對(duì)雙導(dǎo)軌的位置度有一定要求，但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)長(zhǎng)距離雙導(dǎo)軌的檢測(cè)還沒(méi)有現(xiàn)成的解決方案和產(chǎn)品，因此本文設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)量系統(tǒng)，能夠逐點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)距離雙導(dǎo)軌的位置度進(jìn)行檢測(cè)，利用幾何關(guān)系算出每根導(dǎo)軌的距離理論位置的坐標(biāo)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。由于被測(cè)量是位置度，因此必須建立直線基準(zhǔn)。

1 測(cè)量原理

在檢測(cè)時(shí)，由激光器射出的激光束構(gòu)成直線基準(zhǔn)，激光束的位置由激光器和遠(yuǎn)端PSD共同確定。傳感器組件包括二維PSD、LVDT和傾角傳感器，將其放在雙導(dǎo)軌上，這些傳感器反饋的模擬信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后經(jīng)過(guò)通信模塊傳遞至計(jì)算機(jī)，再由Labview通過(guò)幾何關(guān)系算出每根導(dǎo)軌的位置度并在屏幕上顯示出來(lái)。如此沿著導(dǎo)軌逐點(diǎn)測(cè)量即可得到導(dǎo)軌全長(zhǎng)的位置度。

圖1為傳感器組件結(jié)構(gòu)示意圖，AB為平行排列的兩導(dǎo)軌，理論間距為L(zhǎng)b，導(dǎo)軌的工作區(qū)域?yàn)槠漤敹说哪妇€，所以實(shí)際上是對(duì)導(dǎo)軌頂端的母線進(jìn)行測(cè)量。以下提及導(dǎo)軌的時(shí)候均指導(dǎo)軌頂端的母線。

圖1 傳感器組件

圖2 幾何模型

在工作時(shí)，整個(gè)傳感器組件通過(guò)彈簧頂在導(dǎo)軌B上，從而確保整個(gè)結(jié)構(gòu)左邊和導(dǎo)軌A接觸，此時(shí)導(dǎo)軌A和二維PSD中心的距離為L(zhǎng)a。由激光器和遠(yuǎn)端PSD共同定位的激光打在二維PSD上，PSD的讀數(shù)即為此刻激光在其上位置的坐標(biāo)（X，Y）；設(shè)LVDT和傾角傳感器相對(duì)于零位的讀數(shù)分別為L(zhǎng)和α，并規(guī)定對(duì)于L來(lái)說(shuō)，以導(dǎo)軌B遠(yuǎn)離導(dǎo)軌A的方向?yàn)檎?，?duì)于α來(lái)說(shuō)，以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?；并設(shè)導(dǎo)軌A和B相對(duì)于理論位置的位置度誤差分別為（Ax，Ay）以及（Bx，By）。

不失一般性，假設(shè)導(dǎo)軌A和B的實(shí)際位置均落在其各自理論位置坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)，建立圖2所示幾何模型。由于是以激光作為位置基準(zhǔn)，因此首先要將PSD中心的位置換算成坐標(biāo)系4的坐標(biāo)，點(diǎn)4在坐標(biāo)系3內(nèi)的坐標(biāo)為（X，Y），注意到坐標(biāo)系3對(duì)于坐標(biāo)系4的轉(zhuǎn)角為α，進(jìn)行坐標(biāo)變換得到點(diǎn)3在坐標(biāo)系4內(nèi)的坐標(biāo)為（-X cosα+Y sinα，-X sinα-Y cos α）。又在坐標(biāo)系4內(nèi)點(diǎn)2相對(duì)于點(diǎn)3的位置是（-La cosα，-La sinα），因此點(diǎn)2在坐標(biāo)系4內(nèi)的坐標(biāo)為（-X cosα+Y sinα-La cosα，-X sinα-Y cosα-La sinα）。再將點(diǎn)4進(jìn)行坐標(biāo)變換至坐標(biāo)系1內(nèi)，顯然點(diǎn)4的坐標(biāo)為（La，0），由此可得點(diǎn)2在坐標(biāo)系1內(nèi)的坐標(biāo)為（-X cosα+Y sinα-La cosα+La，-X sinα-Y cosα-La sinα）。至此便得到了導(dǎo)軌A在坐標(biāo)系1內(nèi)的坐標(biāo)，即導(dǎo)軌A的位置度誤差：

考察點(diǎn)6的位置，顯然在坐標(biāo)系5內(nèi)點(diǎn)6相對(duì)于點(diǎn) 2的坐標(biāo)為（（Lb+L）cosα，（Lb+L）sinα），而點(diǎn)2在坐標(biāo)系5內(nèi)的坐標(biāo)為（Ax-Lb，Ay），則點(diǎn)6在坐標(biāo)系 5內(nèi)的坐標(biāo)為（Ax-Lb+（Lb+L）cosα，Ay+（Lb+L）sinα）。從而得到導(dǎo)軌B在坐標(biāo)系5內(nèi)的坐標(biāo)，即導(dǎo)軌B的位置度誤差：

2 所用傳感器簡(jiǎn)介

2.1 PSD

PSD（Position Sensitive Detector）是一種半導(dǎo)體光電位敏探測(cè)器，它具有分辨率高，響應(yīng)速度快，只對(duì)光斑的能量中心敏感而不受光斑的強(qiáng)度，分布和尺寸影響的優(yōu)點(diǎn)[1]。

2.2 LVDT

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動(dòng)變壓器的縮寫，它主要由一個(gè)初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈和一個(gè)鐵芯構(gòu)成。當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈上的感應(yīng)電勢(shì)一樣，這樣輸出電壓為0，當(dāng)鐵芯偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈之間產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)測(cè)量電勢(shì)差即可得到鐵芯的位移量。LVDT有線性范圍，鐵芯的位移不可超出其線性范圍。

2.3 傾角傳感器

大部分的傾角傳感器都是基于重力加速度來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，從工作原理上可分為固體擺、液體擺和氣體擺三大類。其中，液體擺傾角傳感器因系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，且目前國(guó)內(nèi)外的成熟產(chǎn)品多為此類。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的位置度測(cè)量方法具有使用簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)量結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)，并且測(cè)量精度和分辨率以及響應(yīng)速度等可根據(jù)實(shí)際需要選購(gòu)不同的傳感器來(lái)進(jìn)行調(diào)整，適合各種較長(zhǎng)雙導(dǎo)軌的檢測(cè)。

[1]袁 江，邱自學(xué)，莊麗陽(yáng).用PSD進(jìn)行便攜式激光準(zhǔn)直儀的研究[J].工業(yè)計(jì)量(增刊)，2000：270-273.

A New Method of the Measurementof Tw in-Rail's PositionalError

CHEN Xi
(SchoolofMechanicalEngineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

This paper introduces a new method formeasuring the positional error.The system consists of laser,PSD,LVDT,inclinometer,data acquisition card and computer can perform effectivemeasurement of the positional error of twin-rail.

positionalerrormeasurement；twin-rail；PSD

TG83

B

1672-545X（2014）04-0175-02

2014-01-07

陳 熹（1985—），男，湖北人，工程碩士在讀，研究方向：精密測(cè)量。