激光對中儀校準(zhǔn)方法的研究

王樹剛 王國民

(無錫市計量檢定測試中心，無錫 214010)

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激光對中儀校準(zhǔn)方法的研究

王樹剛 王國民

(無錫市計量檢定測試中心，無錫 214010)

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

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

0 引言

激光對中儀是一種用來調(diào)整兩個相連設(shè)備的相對位置、確保該組設(shè)備的相對位置符合設(shè)計要求的一種測量儀器。簡言之，激光對中儀就是安裝設(shè)備時用來測量相連設(shè)備的回轉(zhuǎn)軸是否在一條直線上的儀器。在兩回轉(zhuǎn)軸線的對中測量領(lǐng)域，目前有多種高技術(shù)、高精度的測量儀器，如德國普魯夫OPTALIAGN激光對中儀、瑞典FIXTURLA SER 激光對中儀等。現(xiàn)本文介紹以德國普魯夫OPTALIAGN 激光對中儀為研究對象，從其結(jié)構(gòu)及操作過程入手，嘗試分析該測量儀器的工作原理并對激光對中儀的校準(zhǔn)方法進行研究。

1 激光對中儀的結(jié)構(gòu)與基本工作原理

1.1 設(shè)備對中的必要性

1) 如果設(shè)備不對中,軸承會過早地發(fā)生損壞，縮短軸承的使用壽命；2) 設(shè)備不對中會增大聯(lián)軸節(jié)的摩擦，使機器的能源使用效率顯著下降，運營成本提高；3) 設(shè)備不對中會產(chǎn)生附加應(yīng)力，會引起設(shè)備零部件的過度疲勞損壞，如轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生裂紋，會縮短機器壽命。因此良好的對中能極大的減少運營成本、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、專用計算機及安裝附件等構(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.靜止的機器；6.可轉(zhuǎn)動的機器圖1 激光對中儀的結(jié)構(gòu)

基本工作原理：測量時，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。激光接收器可測量出反射激光EF 打在接收器上的光點F 的位置坐標(biāo)值(采樣讀數(shù))，并將此信號傳輸給計算機。以相同的轉(zhuǎn)角同步回轉(zhuǎn)J1、J2的轉(zhuǎn)軸，在多個轉(zhuǎn)角方位上采樣，計算機將采集的多組采樣讀數(shù)進行計算后，輸出兩回轉(zhuǎn)軸線的對中狀態(tài)，并輸出為了消除對中誤差而應(yīng)對可移動的機器進行調(diào)整的調(diào)整量。

1.3 激光對中儀檢測的必要性

激光對中儀出廠時是各部件配套供應(yīng),各部件之間不能互換,長期使用后由于激光參數(shù)、放大器、轉(zhuǎn)換器、位置探測器等部件的增益、損耗、線性會發(fā)生變化，因此會引起激光對中儀測量數(shù)據(jù)發(fā)生變化，使儀器測量誤差加大，儀器的說明書中也建議儀器使用兩年后應(yīng)進行校驗，以保證其工作的可靠性。

2 激光對中儀校準(zhǔn)方法

根據(jù)激光對中儀的測量原理和測量過程的特點，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，反映的是兩軸的水平夾角，在水平位置時反映的是垂直夾角。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，它是一個正切值，距離越遠，數(shù)值越大。在“XY視圖”的界面里X值是一個基本值，根據(jù)測量時輸入的激光發(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)，儀器會計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值時可用自準(zhǔn)直儀產(chǎn)生一個標(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)直儀的視場中轉(zhuǎn)過100格，當(dāng)激光發(fā)生器到反射鏡的距離為200mm時，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值的測量范圍是±3mm?？紤]到邊沿信號會失真，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表示被校兩軸的錯位量(甲對乙的中心偏移量)校準(zhǔn)時可直接測量激光發(fā)生器對反射鏡的線位移量。

同時在“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)時直接顯示角度值。校準(zhǔn)時把激光發(fā)生器固定在分度值為10″的光學(xué)分度頭上，通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)分度頭直接測出其示值誤差。

3 校準(zhǔn)過程及不確定度分析

3.1 校準(zhǔn)過程

如圖2所示，激光對中儀校準(zhǔn)裝置由測長儀、對中儀發(fā)射器、對中儀反射器、自準(zhǔn)直儀組成，現(xiàn)對型號為ALI 12.200編號為MT20048-23激光對中儀進行校準(zhǔn)，對中儀和自準(zhǔn)直儀分別安放在測長儀頂端及工作臺面上，距離L1的值應(yīng)根據(jù)激光對中儀的允許使用距離，在這個距離范圍內(nèi)選取幾個合適的距離逐一進行測試。打開對中儀，按照操作說明的要求將L1、L2等數(shù)值輸入計算機。L2的數(shù)值可選擇較大的值而有利于計算精度，并通過對棱鏡轉(zhuǎn)角的調(diào)整，及高矮的微調(diào)使對中儀專用計算機上顯示的反射激光束在位置探測器上，X、Y位置盡量接近零，此時按下計算機上相應(yīng)的零點鍵，即為激光對中儀零點值。

1.測長儀頂端；2.對中儀發(fā)射器；3.對中儀反射器；4.測長儀工作面；5.自準(zhǔn)直儀圖2 激光對中儀校準(zhǔn)裝置

如圖3所示，同時旋轉(zhuǎn)自準(zhǔn)直旋鈕到最左邊并調(diào)清楚自準(zhǔn)直儀視場中十字分劃板的像，此時的讀數(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L1=300mm時，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

該型號的激光對中儀說明書規(guī)定位移示值誤差在±7%范圍內(nèi)，為了驗證校準(zhǔn)的正確性，先作X方向測量不確定度分析：

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，且L1=300mm時，引入的不確定度分量為：u1=11μm。

3.2.2 鋼卷尺測量距離時引入的不確定度

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

3.2.3 測量重復(fù)性引入的測量不確定度

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

3.2.4 校準(zhǔn)時合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.2.5 擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算

U=kuc=56μm(k=2)

相對擴展標(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相對擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定為：Urel2=2.5%(k=2)。

通過分析得出，相對擴展不確定度遠遠小于說明書規(guī)定位移示值誤差7%。說明此校準(zhǔn)方法具有一定的可行性。

4 結(jié)束語

本文就激光對中儀的校準(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)方法及其測量不確定度分析，技術(shù)機構(gòu)根據(jù)自己現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器的配備情況來選擇合適的測長儀和自準(zhǔn)直儀，完全能組裝一套激光對中儀校準(zhǔn)裝置。

[1] 白翔龍，顧愛民，丁福全.激光對中儀誤差的測試方法.計量技術(shù),1998(6)

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

[3] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計量司.測量不確定度評定與表示指南.北京：中國計量出版社,2000

[4] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.測量不確定度評定與表示(JJF1059—1999).北京：中國計量出版社,1999

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.19