一種測量雙導(dǎo)軌位置度誤差的新方法

陳熹

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

一種測量雙導(dǎo)軌位置度誤差的新方法

陳熹

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

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

位置度測量；雙導(dǎo)軌；PSD

在精密檢測行業(yè)中，經(jīng)常要用到平行雙導(dǎo)軌構(gòu)造，并且對雙導(dǎo)軌的位置度有一定要求，但是目前國內(nèi)對長距離雙導(dǎo)軌的檢測還沒有現(xiàn)成的解決方案和產(chǎn)品，因此本文設(shè)計了一種新的測量系統(tǒng)，能夠逐點對長距離雙導(dǎo)軌的位置度進(jìn)行檢測，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)，并通過計算機(jī)實時顯示出來。由于被測量是位置度，因此必須建立直線基準(zhǔn)。

1 測量原理

在檢測時，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被數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后經(jīng)過通信模塊傳遞至計算機(jī)，再由Labview通過幾何關(guān)系算出每根導(dǎo)軌的位置度并在屏幕上顯示出來。如此沿著導(dǎo)軌逐點測量即可得到導(dǎo)軌全長的位置度。

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Lb，導(dǎo)軌的工作區(qū)域為其頂端的母線，所以實際上是對導(dǎo)軌頂端的母線進(jìn)行測量。以下提及導(dǎo)軌的時候均指導(dǎo)軌頂端的母線。

圖1 傳感器組件

圖2 幾何模型

在工作時，整個傳感器組件通過彈簧頂在導(dǎo)軌B上，從而確保整個結(jié)構(gòu)左邊和導(dǎo)軌A接觸，此時導(dǎo)軌A和二維PSD中心的距離為La。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和傾角傳感器相對于零位的讀數(shù)分別為L和α，并規(guī)定對于L來說，以導(dǎo)軌B遠(yuǎn)離導(dǎo)軌A的方向為正，對于α來說，以逆時針方向為正；并設(shè)導(dǎo)軌A和B相對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對于坐標(biāo)系4的轉(zhuǎn)角為α，進(jìn)行坐標(biāo)變換得到點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2相對于點3的位置是（-La cosα，-La sinα），因此點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4進(jìn)行坐標(biāo)變換至坐標(biāo)系1內(nèi)，顯然點4的坐標(biāo)為（La，0），由此可得點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6的位置，顯然在坐標(biāo)系5內(nèi)點6相對于點 2的坐標(biāo)為（（Lb+L）cosα，（Lb+L）sinα），而點2在坐標(biāo)系5內(nèi)的坐標(biāo)為（Ax-Lb，Ay），則點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 所用傳感器簡介

2.1 PSD

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

2.2 LVDT

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動變壓器的縮寫，它主要由一個初級線圈，兩個次級線圈和一個鐵芯構(gòu)成。當(dāng)鐵芯處于中間位置時，兩個次級線圈上的感應(yīng)電勢一樣，這樣輸出電壓為0，當(dāng)鐵芯偏離中間位置時，兩個次級線圈之間產(chǎn)生電勢差，通過測量電勢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進(jìn)行測量的，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，且目前國內(nèi)外的成熟產(chǎn)品多為此類。

3 結(jié)束語

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

[1]袁 江，邱自學(xué)，莊麗陽.用PSD進(jìn)行便攜式激光準(zhǔn)直儀的研究[J].工業(yè)計量(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：精密測量。