槽式反光鏡支架連接平面間隙測(cè)量的方法研究

胡 珂，龔 俊，何 智

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電是收集太陽(yáng)光輻射加熱導(dǎo)熱介質(zhì)直接驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的技術(shù)[1]。該光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光集熱系統(tǒng)，換熱系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)和輔助能源系統(tǒng)五部分構(gòu)成[2]。截止2010 年，全世界槽式光熱發(fā)電已經(jīng)占到所有光熱發(fā)電的90%[3]。該發(fā)電模式按反光鏡支架不同主要分為3類(lèi)：扭矩框式，扭矩盒式，扭矩管式[4]。國(guó)內(nèi)多采用扭矩管式。扭矩管式反光鏡支架由八塊連接板和支撐臂組成，其中兩塊扭矩管連接板，三塊反光鏡內(nèi)連接板，三塊外連接板。反光鏡支架體積大，焊接在支架上的八塊連接板在加工過(guò)程中很難保證連接板面的位置精度，加工后的面最終產(chǎn)生空間的平移和角度傾轉(zhuǎn)。具體影響按連接板性質(zhì)不同分為兩類(lèi)：（1）反光鏡連接板在與反光鏡裝配連接后導(dǎo)致鏡面發(fā)生變形；（2）扭矩管連接板面平移偏轉(zhuǎn)后與扭矩管的剛性連接使得整個(gè)支架變形，導(dǎo)致整張鏡面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，反射光線不能反射至集熱器上，集熱效率下降。研究表明，由幾何誤差引起的能量損失達(dá)到了全部系統(tǒng)能量損失的60%以上，其中大部分因?yàn)橹Ъ艿膸缀握`差[5]。因此，槽式光熱發(fā)電反光鏡支架連接板面位置精度的檢測(cè)對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。

目前，針對(duì)空間平面位置精度檢測(cè)的方法有：2016年，文獻(xiàn)[6]提出了基于Stewart 平臺(tái)的空間平面靜態(tài)位置檢測(cè)方法，利用激光傳感器測(cè)量與計(jì)算Stewart 平臺(tái)三個(gè)點(diǎn)的空間位置求得一個(gè)平面靜態(tài)空間位置。2005年，文獻(xiàn)[7]基于電磁感應(yīng)原理提出了一種平面位置感測(cè)系統(tǒng)，并分析了測(cè)量原理與算法。2011年，文獻(xiàn)[8]為解決槽式太陽(yáng)能支架測(cè)量問(wèn)題采用近景攝影測(cè)量技術(shù)研制出QFOTO在線測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)槽式太陽(yáng)能聚光器支架在線快速精確測(cè)量。2016年，天津某研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了基于接觸式檢測(cè)法的槽式光熱支架檢測(cè)模具，通過(guò)人工塞入塞規(guī)檢測(cè)間隙大小。該方法效率低，精度差，難以滿足要求。

2 比較測(cè)量法檢測(cè)原理

針對(duì)檢測(cè)支架體積大，八個(gè)連接板面間隔跨距大，基于支架整體檢測(cè)精度很難保證。為此，我們提出的比較測(cè)量法，即以一個(gè)非常理想的標(biāo)準(zhǔn)件作為理想的檢測(cè)面，通過(guò)檢測(cè)其八個(gè)連接板面的空間位置，以此數(shù)據(jù)作為所建坐標(biāo)系的零位置，然后，將檢測(cè)到的實(shí)際支架待測(cè)面位置代入標(biāo)準(zhǔn)面的坐標(biāo)系中作比較，求得間隙值。對(duì)此，我們標(biāo)定了檢測(cè)坐標(biāo)并建立了計(jì)算模型。

2.1 連接板面誤差源分析

槽式光熱發(fā)電反光鏡連接支架共有八塊連接板，標(biāo)號(hào)順序，如圖1所示。其中兩塊扭矩管連接板位于同一平面π1上，π2平面上的兩塊連接板和π3平面的一塊連接板固定連接著內(nèi)側(cè)反光鏡；π4平面兩塊連接板和π5平面的一塊連接板固定連接著外側(cè)反光鏡。

連接板的誤差示意圖，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)面在空間位置平移一段距離△h后，到達(dá)平移標(biāo)準(zhǔn)面，而后繞平面內(nèi)過(guò)幾何中心的一條軸線旋轉(zhuǎn)Δθ角。由此產(chǎn)生最大間隙dmax和最小間隙dmin。間隙使得反光鏡裝配誤差變大，進(jìn)而導(dǎo)致與連接板連接的反光鏡支點(diǎn)處發(fā)生變形；而處于π1平面的兩塊扭矩管連接板則直接整個(gè)支架變形，導(dǎo)致整張反光鏡發(fā)生扭轉(zhuǎn)，降低集熱效率。

圖2 連接板面的誤差示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Error of the Connecting Plate

2.2 比較測(cè)量法的幾何計(jì)算關(guān)系

傳感器檢測(cè)頭在反光鏡連接面上的測(cè)點(diǎn)位置，如圖3所示。圖中三個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置呈等腰直角三角形分布，在坐標(biāo)軸方向上相隔30mm。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)面的幾何坐標(biāo)關(guān)系Fig.3 Geometric Coordinate Relationship of Standard Faces

當(dāng)位于檢測(cè)頭上的幾何中心點(diǎn)捕捉源對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)面的幾何中心點(diǎn)pi時(shí)，以此時(shí)檢測(cè)頭位置中心為基準(zhǔn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，如圖3所示。由此確定各點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系為：

式中：zi1，zi2，zi3—PSD位移傳感器的距離；i=1，2表示扭矩管連接板面，i=3，4，5，6，7，8表示反光鏡連接板面，以下文中表示方法與此相同。

同理待測(cè)面的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)為：

式中：Pi1、Pi2、Pi3—連接板面的檢測(cè)點(diǎn)。

法向量單位化，根據(jù)公式：

如圖4所示，Oi1Oi2Oi3—待測(cè)面上測(cè)得的三個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，Oi—待測(cè)面上的幾何中心點(diǎn)，h—平移間隙，j—旋轉(zhuǎn)間隙，在XOY平面移動(dòng)檢測(cè)頭，當(dāng)幾何中心點(diǎn)捕捉源對(duì)準(zhǔn)幾何中點(diǎn)時(shí)，即可確定此時(shí)標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)。

圖4 槽式支架連接板標(biāo)準(zhǔn)面與待測(cè)面的幾何計(jì)算關(guān)系Fig.4 Geometric Calculation Relationship Between Standard Surface and Surface to be Tested

由點(diǎn)到平面的距離公式：d=。結(jié)合式（3）代入點(diǎn)到平面距離公式的一般式中，計(jì)算得：

平移標(biāo)準(zhǔn)面繞l軸線旋轉(zhuǎn)變?yōu)榇郎y(cè)面，旋轉(zhuǎn)夾角即兩個(gè)平面的單位法向量的夾角。

在平移標(biāo)準(zhǔn)面上過(guò)幾何中心點(diǎn)Oi作l的垂線交于B點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)后該點(diǎn)處于A點(diǎn)，此時(shí)AOi即待測(cè)面內(nèi)過(guò)Oi垂直于l的垂線；過(guò)A點(diǎn)作BOi垂線交于C點(diǎn)，此時(shí)構(gòu)成△Oi AC，E點(diǎn)為過(guò)Oi點(diǎn)垂直于長(zhǎng)邊的垂足，如圖5所示。因?yàn)榕ぞ毓苓B接板是（180×70）mm矩形，反光鏡連接板為（100×45）mm 的矩形，我們用連接板幾何中心到連接板其中一角D的距離DOi代替直線AOi的距離。

圖5 旋轉(zhuǎn)間隙的幾何計(jì)算關(guān)系Fig.5 Geometric Calculation Relationship of Rotating Gap

即待測(cè)面的實(shí)際旋轉(zhuǎn)間隙位：

已知扭矩管|DOi|=96.566反光鏡連接板|DOi|=54.829，代入式（6）中可確定扭矩管旋轉(zhuǎn)間隙j=96.566·sinθ，反光鏡旋轉(zhuǎn)間隙j=54.829·sinθ。

連接板面的位置發(fā)生傾轉(zhuǎn)，一角遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)面，相對(duì)角則靠近標(biāo)準(zhǔn)面，為此，產(chǎn)生待測(cè)面與標(biāo)準(zhǔn)面之間的最大間隙dmax和最小間隙dmin。

則扭矩管連接板面間隙計(jì)算關(guān)系為：

反光鏡連接板面間隙：

3 檢測(cè)儀器的研制

槽式光熱發(fā)電反光鏡支架連接板面的位置精度檢測(cè)采用基于理想標(biāo)準(zhǔn)件的比較測(cè)量法。與以往的基于雙目視覺(jué)和投影圓提出的非接觸式測(cè)量方法[9]和應(yīng)用斜射式光學(xué)三角法針對(duì)平面度迭代測(cè)量的方法[10]不同。我們假定車(chē)刀一次加工成的連接板面擁有理想的標(biāo)準(zhǔn)平面度，將支架夾持于檢測(cè)臺(tái)上，檢測(cè)滑臺(tái)移動(dòng)保證幾何中心基準(zhǔn)源對(duì)準(zhǔn)連接板面幾何中心點(diǎn)；高精度位移傳感器記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)；結(jié)合開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用檢測(cè)軟件可以快速顯示此時(shí)傳感器數(shù)據(jù)以及計(jì)算出各檢測(cè)面的位置數(shù)據(jù)。并以檢測(cè)到的標(biāo)準(zhǔn)件檢測(cè)數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)零點(diǎn)，即每次標(biāo)準(zhǔn)件檢測(cè)是校準(zhǔn)歸零過(guò)程。檢測(cè)系統(tǒng)由高精度二維移動(dòng)滑臺(tái)、非接觸式PSD微位移組合檢測(cè)頭和我們自身編寫(xiě)的檢測(cè)軟件組成。

支架檢測(cè)臺(tái)，如圖6所示。為落地支撐架式結(jié)構(gòu)，每個(gè)連接板位置下裝有高精度二維平面滑臺(tái)，X軸行程范圍100mm，Y軸行程范圍100mm，檢測(cè)頭運(yùn)行速度30mm/s。

圖6 高精度槽式支架檢測(cè)臺(tái)Fig.6 High Precision Trough Support Test Bench

位移傳感器檢測(cè)頭裝置由非接觸式PSD微位移光電型傳感器，XOY坐標(biāo)二維滑臺(tái)，信息通信和處理模塊組成，如圖7所示。三組位移傳感器中通過(guò)延長(zhǎng)受光部分與受光元件（CMOS）之間的光路長(zhǎng)度，從而可獲得精度更高、更穩(wěn)定的測(cè)量值，內(nèi)部安裝的新型反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，縮短進(jìn)深方向的尺寸；源數(shù)據(jù)模擬電壓（0～5）V輸出，測(cè)量中心距離50mm，量程30mm，光束直徑約?70um，重復(fù)精度可達(dá)30um；同時(shí)高精度CMOS影像傳感器，使用獨(dú)特的算法，保證了距離設(shè)定反射型傳感器的高精度。

圖7 非接觸式微位移傳感器Fig.7 Non-Contact Micro Displacement Sensor

在如圖8所示的專(zhuān)用檢測(cè)軟件控制下先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件檢測(cè)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，校準(zhǔn)歸零建立基準(zhǔn)檢測(cè)坐標(biāo)系，而后對(duì)待測(cè)支架進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)反光鏡檢測(cè)頭，滑臺(tái)在XOY平面移動(dòng)待測(cè)面保證幾何中心點(diǎn)重合于組合式檢測(cè)頭中心點(diǎn)，記錄滑臺(tái)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件在X軸和Y軸的位移值，以及探頭輸出的模擬量電壓（扭矩管檢測(cè)頭滑臺(tái)在XOZ平面移動(dòng)，記錄X軸和Z軸位移值）。經(jīng)軟件計(jì)算，得到所檢測(cè)到的最大間隙和最小間隙，誤差允許值和合格性判斷等信息，如表1所示。

圖8 槽式支架檢測(cè)專(zhuān)用軟件Fig.8 Trough Bracket Detection Software

表1 第8號(hào)反光鏡標(biāo)準(zhǔn)面檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Mirror Standard Surface Inspection Data

4 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

因?yàn)檫B接板面數(shù)量多，為方便驗(yàn)證該檢測(cè)儀的準(zhǔn)確性，我們選取檢測(cè)某一扭矩管式反光鏡支架，對(duì)8號(hào)反光鏡連接板面檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量誤差分析。

4.1 支架檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

檢測(cè)儀針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的8號(hào)反光鏡連接面進(jìn)行檢測(cè)，如表1所示。由采集到的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到位移數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器在檢測(cè)位置連續(xù)采樣10次，求得平均值作為最終檢測(cè)數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)得數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)系零點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此檢測(cè)頭在XOY平面的位移量均為零。檢測(cè)儀對(duì)待測(cè)件8號(hào)反光鏡連接板面檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)，如表2所示。xi，yi為待測(cè)面幾何中點(diǎn)在XOY平面相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件幾何中心點(diǎn)位置的位移值。

表2 第8號(hào)反光鏡待測(cè)面檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 Mirror Standard Surface Inspection Data

由于在每次實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)距離測(cè)量中我們的重復(fù)測(cè)量次數(shù)為10次，所以計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差不是標(biāo)準(zhǔn)偏差的無(wú)偏估計(jì)，也就避免了測(cè)量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差[11-12]。將測(cè)得的數(shù)據(jù)代入式（7）中，求得平移間隙0.419mm，旋轉(zhuǎn)間隙0.951mm，最小間隙dmin=0.532mm；而該檢測(cè)件通過(guò)接觸式人工測(cè)量，最大允許誤差為0.6mm，檢測(cè)結(jié)果為0.5mm塞尺可以勉強(qiáng)塞入，而0.6mm塞尺不能塞入，即人工測(cè)量間隙為0.5mm ≤d≤0.6mm。因此通過(guò)快速檢測(cè)儀檢測(cè)儀檢測(cè)得結(jié)果精度達(dá)到0.001mm，小于最大誤差允許值，檢測(cè)結(jié)果滿足要求。

4.2 檢測(cè)儀的檢測(cè)精度分析

經(jīng)分析，槽式支架連接板面非接觸式快速測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差主要為以下三點(diǎn)：（1）對(duì)實(shí)際支架的檢測(cè)以標(biāo)準(zhǔn)件為檢測(cè)基準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)件本身加工產(chǎn)生的誤差不可避免，標(biāo)準(zhǔn)件的加工精度直接決定著所檢測(cè)得槽式支架的檢測(cè)精度。為此，要提高檢測(cè)儀的檢測(cè)精度，需保證標(biāo)準(zhǔn)件的加工精度；（2）檢測(cè)頭移動(dòng)滑臺(tái)在移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)待測(cè)面的幾何中心過(guò)程中，直接影響著待測(cè)面幾何中心點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)面的平移間隙，滑臺(tái)本身精度±0.001mm，而連接板面與理想面見(jiàn)的間隙主要由待測(cè)面的傾轉(zhuǎn)引起，因此，滑臺(tái)本身精度滿足，對(duì)最小間隙影響不大，最終檢測(cè)不確定度小于±0.01mm。

通過(guò)非接觸式快速測(cè)量系統(tǒng)對(duì)天津?yàn)I海光熱有限公司生產(chǎn)制造的槽式支架檢測(cè)選取了三十副合格件，與槽式反光鏡連接，測(cè)量單塊聚光單元光線截?cái)嘁蜃悠骄_(dá)0.983，相比于人工接觸式測(cè)量合格件連接的聚光鏡高出0.028。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于標(biāo)準(zhǔn)件與待測(cè)件檢測(cè)平面的比較測(cè)量法，我們研制出了國(guó)內(nèi)第一套槽式光熱發(fā)電反光鏡支架連接板面位置精度非接觸式快速測(cè)量系統(tǒng)，檢測(cè)精度優(yōu)于0.01mm，經(jīng)檢測(cè)的合格支架極大地保證了反光鏡的截?cái)嘁蜃印?/p>

（2）與以往的人工接觸式測(cè)量相比較，該檢測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)包括了理想面位置，標(biāo)準(zhǔn)面位置實(shí)際待測(cè)面位置，最大最小間隙，允許誤差范圍，合格性判斷等。真實(shí)反映了待檢測(cè)支架的連接板面的位置精度。同時(shí)該系統(tǒng)檢測(cè)速度快，精度高，非接觸式檢測(cè)，結(jié)果準(zhǔn)確，直觀，在國(guó)內(nèi)槽式反光鏡支架檢測(cè)方面未見(jiàn)同類(lèi)報(bào)道，因此對(duì)槽式光熱電站建設(shè)運(yùn)行具有重要意義。