王樹(shù)剛 王國(guó)民

(無(wú)錫市計(jì)量檢定測(cè)試中心，無(wú)錫 214010)

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激光對(duì)中儀校準(zhǔn)方法的研究

王樹(shù)剛 王國(guó)民

(無(wú)錫市計(jì)量檢定測(cè)試中心，無(wú)錫 214010)

介紹了激光對(duì)中儀的用途，以德國(guó)普魯夫OPTALIAGN激光對(duì)中儀為例，具體分析了其結(jié)構(gòu)和基本工作原理，根據(jù)OPTALIAGN激光對(duì)中儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制出由測(cè)長(zhǎng)儀、自準(zhǔn)直儀組成的校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)激光對(duì)中儀水平方向、垂直方向的示值誤差。

激光對(duì)中儀； 設(shè)備對(duì)中； 幾何參數(shù)； 校準(zhǔn)方法； 不確定度分析

0 引言

激光對(duì)中儀是一種用來(lái)調(diào)整兩個(gè)相連設(shè)備的相對(duì)位置、確保該組設(shè)備的相對(duì)位置符合設(shè)計(jì)要求的一種測(cè)量?jī)x器。簡(jiǎn)言之，激光對(duì)中儀就是安裝設(shè)備時(shí)用來(lái)測(cè)量相連設(shè)備的回轉(zhuǎn)軸是否在一條直線上的儀器。在兩回轉(zhuǎn)軸線的對(duì)中測(cè)量領(lǐng)域，目前有多種高技術(shù)、高精度的測(cè)量?jī)x器，如德國(guó)普魯夫OPTALIAGN激光對(duì)中儀、瑞典FIXTURLA SER 激光對(duì)中儀等?，F(xiàn)本文介紹以德國(guó)普魯夫OPTALIAGN 激光對(duì)中儀為研究對(duì)象，從其結(jié)構(gòu)及操作過(guò)程入手，嘗試分析該測(cè)量?jī)x器的工作原理并對(duì)激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究。

1 激光對(duì)中儀的結(jié)構(gòu)與基本工作原理

1.1 設(shè)備對(duì)中的必要性

1) 如果設(shè)備不對(duì)中,軸承會(huì)過(guò)早地發(fā)生損壞，縮短軸承的使用壽命；2) 設(shè)備不對(duì)中會(huì)增大聯(lián)軸節(jié)的摩擦，使機(jī)器的能源使用效率顯著下降，運(yùn)營(yíng)成本提高；3) 設(shè)備不對(duì)中會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，會(huì)引起設(shè)備零部件的過(guò)度疲勞損壞，如轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生裂紋，會(huì)縮短機(jī)器壽命。因此良好的對(duì)中能極大的減少運(yùn)營(yíng)成本、大大提高工作效率。

1.2 主要結(jié)構(gòu)及基本工作原理

如圖1所示，激光對(duì)中儀主要由激光發(fā)射器及接收器組件、直角雙面反射鏡組件、轉(zhuǎn)角儀、專用計(jì)算機(jī)及安裝附件等構(gòu)成。

1.激光發(fā)射器及接收器組件；2.直角雙面反射鏡組件；3.轉(zhuǎn)角儀J1、J2；4.快配夾帶；5.靜止的機(jī)器；6.可轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)器圖1 激光對(duì)中儀的結(jié)構(gòu)

基本工作原理：測(cè)量時(shí)，激光發(fā)射器(位于組件1上部)向直角雙面反射鏡發(fā)射一束激光AB，經(jīng)直角雙面反射鏡反射后，反射激光EF 由激光接收器(位于組件1下部)接收。激光接收器可測(cè)量出反射激光EF 打在接收器上的光點(diǎn)F 的位置坐標(biāo)值(采樣讀數(shù))，并將此信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)。以相同的轉(zhuǎn)角同步回轉(zhuǎn)J1、J2的轉(zhuǎn)軸，在多個(gè)轉(zhuǎn)角方位上采樣，計(jì)算機(jī)將采集的多組采樣讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，輸出兩回轉(zhuǎn)軸線的對(duì)中狀態(tài)，并輸出為了消除對(duì)中誤差而應(yīng)對(duì)可移動(dòng)的機(jī)器進(jìn)行調(diào)整的調(diào)整量。

1.3 激光對(duì)中儀檢測(cè)的必要性

激光對(duì)中儀出廠時(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)中也建議儀器使用兩年后應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)，以保證其工作的可靠性。

2 激光對(duì)中儀校準(zhǔn)方法

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)，在含“XY視圖”的界面里，X表示被校兩軸的不平行度(傾斜量)，當(dāng)激光發(fā)生器和反射鏡在垂直位置時(shí)，反映的是兩軸的水平夾角，在水平位置時(shí)反映的是垂直夾角。X值的大小取決于激光發(fā)生器到反射鏡的距離，即兩安裝立柱間的縱向距離，它是一個(gè)正切值，距離越遠(yuǎn)，數(shù)值越大。在“XY視圖”的界面里X值是一個(gè)基本值，根據(jù)測(cè)量時(shí)輸入的激光發(fā)生器到反射鏡的距離L1、聯(lián)軸器端面到前地腳螺釘?shù)木嚯xL2和前后兩地腳螺釘?shù)木嚯xL3等參數(shù)，儀器會(huì)計(jì)算出前后螺釘在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的調(diào)整量。

校準(zhǔn)X值時(shí)可用自準(zhǔn)直儀產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)角度，在設(shè)定的距離上觀察其示值，如：反射鏡在自準(zhǔn)直儀的視場(chǎng)中轉(zhuǎn)過(guò)100格，當(dāng)激光發(fā)生器到反射鏡的距離為200mm時(shí)，X值的增量應(yīng)該為0.1031mm，逐段校準(zhǔn)其示值誤差。自準(zhǔn)直儀的量程有1800格，而X值的測(cè)量范圍是±3mm?？紤]到邊沿信號(hào)會(huì)失真，校準(zhǔn)的示值范圍應(yīng)該為±2.5mm，如果用自準(zhǔn)直儀來(lái)校準(zhǔn)X值的示值誤差，則應(yīng)該把激光發(fā)生器到反射鏡的距離設(shè)定為300mm，此時(shí)X的增量為0.1031×1.5=0.1546mm。

在“XY視圖”的界面里，Y表示被校兩軸的錯(cuò)位量(甲對(duì)乙的中心偏移量)校準(zhǔn)時(shí)可直接測(cè)量激光發(fā)生器對(duì)反射鏡的線位移量。

同時(shí)在“XY視圖”的界面里包含有角度值，單位為“°”，在其激光發(fā)生器內(nèi)裝有電子水準(zhǔn)泡，激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時(shí)直接顯示角度值。校準(zhǔn)時(shí)把激光發(fā)生器固定在分度值為10″的光學(xué)分度頭上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)光學(xué)分度頭直接測(cè)出其示值誤差。

3 校準(zhǔn)過(guò)程及不確定度分析

3.1 校準(zhǔn)過(guò)程

如圖2所示，激光對(duì)中儀校準(zhǔn)裝置由測(cè)長(zhǎng)儀、對(duì)中儀發(fā)射器、對(duì)中儀反射器、自準(zhǔn)直儀組成，現(xiàn)對(duì)型號(hào)為ALI 12.200編號(hào)為MT20048-23激光對(duì)中儀進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)中儀和自準(zhǔn)直儀分別安放在測(cè)長(zhǎng)儀頂端及工作臺(tái)面上，距離L1的值應(yīng)根據(jù)激光對(duì)中儀的允許使用距離，在這個(gè)距離范圍內(nèi)選取幾個(gè)合適的距離逐一進(jìn)行測(cè)試。打開(kāi)對(duì)中儀，按照操作說(shuō)明的要求將L1、L2等數(shù)值輸入計(jì)算機(jī)。L2的數(shù)值可選擇較大的值而有利于計(jì)算精度，并通過(guò)對(duì)棱鏡轉(zhuǎn)角的調(diào)整，及高矮的微調(diào)使對(duì)中儀專用計(jì)算機(jī)上顯示的反射激光束在位置探測(cè)器上，X、Y位置盡量接近零，此時(shí)按下計(jì)算機(jī)上相應(yīng)的零點(diǎn)鍵，即為激光對(duì)中儀零點(diǎn)值。

1.測(cè)長(zhǎng)儀頂端；2.對(duì)中儀發(fā)射器；3.對(duì)中儀反射器；4.測(cè)長(zhǎng)儀工作面；5.自準(zhǔn)直儀圖2 激光對(duì)中儀校準(zhǔn)裝置

如圖3所示，同時(shí)旋轉(zhuǎn)自準(zhǔn)直旋鈕到最左邊并調(diào)清楚自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)中十字分劃板的像，此時(shí)的讀數(shù)值也記為原始校準(zhǔn)位置，再旋轉(zhuǎn)自準(zhǔn)直儀旋鈕產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)角度(100格)。

圖3 自準(zhǔn)直儀產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)角度

表1為L(zhǎng)1=300mm時(shí)，XY方向校準(zhǔn)結(jié)果。

表1XY方向校準(zhǔn)結(jié)果 單位:mm

3.2 不確定度分析

該型號(hào)的激光對(duì)中儀說(shuō)明書(shū)規(guī)定位移示值誤差在±7%范圍內(nèi)，為了驗(yàn)證校準(zhǔn)的正確性，先作X方向測(cè)量不確定度分析：

3.2.1 自準(zhǔn)直儀讀數(shù)引入的不確定度

根據(jù)自準(zhǔn)直儀檢定結(jié)果，任意1000分度示值誤差不大于5格，當(dāng)旋轉(zhuǎn)1600分度值時(shí)，且L1=300mm時(shí)，引入的不確定度分量為：u1=11μm。

3.2.2 鋼卷尺測(cè)量距離時(shí)引入的不確定度

假設(shè)在測(cè)試范圍L1=300mm時(shí)，2級(jí)鋼卷尺引入的不確定度分量：u2=17μm。

3.2.3 測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度

以標(biāo)準(zhǔn)值2.40mm為例，重復(fù)測(cè)量10次得到，測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量：u3=20μm。

3.2.4 校準(zhǔn)時(shí)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.2.5 擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

U=kuc=56μm(k=2)

相對(duì)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度用滿量程2.40mm的百分比表示為：Urel1=2.3%(k=2)。

同理，分析出Y方向滿量程2.50mm相對(duì)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定為：Urel2=2.5%(k=2)。

通過(guò)分析得出，相對(duì)擴(kuò)展不確定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于說(shuō)明書(shū)規(guī)定位移示值誤差7%。說(shuō)明此校準(zhǔn)方法具有一定的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就激光對(duì)中儀的校準(zhǔn)現(xiàn)狀，從可以依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)討論，到校準(zhǔn)裝置的合理性探討，以及提出相應(yīng)的校準(zhǔn)方法及其測(cè)量不確定度分析，技術(shù)機(jī)構(gòu)根據(jù)自己現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器的配備情況來(lái)選擇合適的測(cè)長(zhǎng)儀和自準(zhǔn)直儀，完全能組裝一套激光對(duì)中儀校準(zhǔn)裝置。

[1] 白翔龍，顧愛(ài)民，丁福全.激光對(duì)中儀誤差的測(cè)試方法.計(jì)量技術(shù),1998(6)

[2] 吳健.激光對(duì)中儀的工作原理及其應(yīng)用.工具技術(shù)，2005(12)

[3] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南.北京：中國(guó)計(jì)量出版社,2000

[4] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示(JJF1059—1999).北京：中國(guó)計(jì)量出版社,1999

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.19