（测试计量技术及仪器专业论文）激光干涉仪跟踪式无导轨测量的研究.pdf

西安理工大学硕士论文摘要 摘要 激光是一种新型的光源，广泛应用于国民经济的各个部门。尤其 激光具有良好的稳定性和再现性，特别适合于精密计量。以激光作光 源的干涉仪是一种高精度的计量仪器。 目前国内外对中小尺寸的测量技术日趋完善，出现了许多测量中 小尺寸零件的新方法、新仪器，这些基本能够满足现代化大生产的要 求。但是，在大型机械设备的制造、安装过程中，大型工件的几何尺 寸和形位误差的测量和质量控制是保证整套设备质量的关键因素之 一。因而，大型零部件、组装件的整体外形几何参数和形位误差的测 量以及加工现场的在位测量成为一个难题。针对大型工件的尺寸测量， 通常采用的测量方法属于有导轨测量，测量中须配备与工件尺寸相当 长的精密导轨。二十多年来一直研究的激光合成波长的测距仪由于种 种问题也未能商品化。因此，为改善这种状况，对激光干涉仪进行改 进，研究一种新的无导轨导向，能自动跟踪目标的测量仪器就成为一 项有现实意义的任务。 本文通过理论分析和模拟实验，确定了以光电池为光电接收传感 器，在计算机统一协调下自动跟踪测量反射镜的测量系统。研制出一 套涉及光学、精密机械、电子、计算机以及自动控制等多种学科技术 的测量系统。该系统测试精度和自动化程度较高、具有良好的测试性 能，能较好地解决无导轨导向测量。经过大量实验，证明这种系统为 大工件组装现场的测量提供了新的可实施方法。 西安理工大学硕士论文摘要 a bs t r a c t l a s e ri san e wt y p eo fl i g h t ，w h i c hi su s e di nl o t so fd e p a r t m e n t so f c o u n t r y i th a sg o o ds t a b i l i t ya n dr e a p p e a r a n c e ，s oi tf i t ss p e c i a l l yf o ru s i n gi n p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t i n t e r f e r o m e t e ru s i n gl a s e ra s l i g h tb e c o m e sh i 曲 p r e c i s ei n s t r u m e n tw h i c hm e a s u r e sw o r k p i e c e a tp r e s e n t ，m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yw h i c hi su s e dt om e a s u r et h e l e n g t ho fm i d d l eo rs m a l lw o r k p i e c e st u mm o r ep e r f c c t m a n yn e wm e t h o d s a n dn e wi n s t r u m e n t sh a v ea p p e a r e d ，w h i c hc a nf i tf o rr e q u i r e m e n to fm o d e r n p r o d u c e b u t ，d u r i n gt h e i rm a n u f a c t u r ea n dm o u n t m e n t ，t h em e a s u r e m e n ta n d q u a l i t yc o n t r o lo ft h el e n g t ha n ds h a p ee r r o ro fb i gm e c h a n i s mf a c i l i t i e si so n e o ft h ek e yf a c t o r s s oi ti sap r o b l e mt h a tt h em e a s u r e m e n to fi n t e g r i t yo u t l i n eg e o m e t r y p a r a m e t e r s ，s h a p ee r r o ra n do n l i n em e a s u r e m e n to fb i gw o r k p i e c e s u s u a l ly ，t h e m e t h o do ft h e1 e n g t hm e a s u r e m e n to fb i gw o r k p i e c e sn e e dh i g hp r e c i s i o n s l i d e w a y s s i n c et w e n t yy e a r s ，as t u d y i n g1 a s e rs y n t h e s i st e l e m e t e rw i t hs o m e p r o b l e mn o ts 0 1 v e di sn o tc o m m e r c i a i i z a t i o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h i s s i t u a t i o n ，也i sp a p e rp u t sf o r w a r dam e a s u r e s 】e n g t hm e t h o dt h a tc 8 nf o l l o w o b j e c tm o v e m e n tw i t h o u ts l i d e w a y sg u i d a n c eb yi m p r o v i n gp r e s e n td u a l f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e r i ti sa ne m e r g e n ta n ds 培n i f i c a n tt a s k t h i s p a p e rd e s i g n s a m e a s u r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e m t h a t a u t o m a t i c a i l yf o l l o w sm e a s u r e m e n tr e n e c t o rm i r r o rw i t hc o m p u t e rc 0 1 l a b o r a t i n g ， u s i n gp h o t o e l e c t r i cb a t t e r ya ss e n s o r t h es y s t e md e a l sw i t ho p t i c ，p r e c i s i o n m e c h a n i s m ，e l e c t r o n ，c o m p u t e ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es y s t e mi so fh i g h m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n da u t o m a t i o n 1 tc a ns o l v ep r o b l e mt h a tm e a s u r e m e n t w i t h o u ts l i d e w a y sg u i d i n g s oi t st e s tp e r f o r m a n c ei sg o o d al o to fe x p r i m e n t s h a v es h o w e dt h a tt m ss y s t e mp r o v i d e dan e wu s e f u lm e t h o do fm e a s u r i n gb i g w o r k p i e c e so nt h es p o t 西安理工大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 自从二十世纪六十年代初期出现激光这一新型光源以来，它的应用已经扩 大到国民经济的各个部门。由于激光具有极佳的稳定性和良好的再现性，使它 在计量科学中得到了特别的亲睐。在国际计量大会上，通过了用激光的波长代 替米的实物基准，为更精确的长度传递系统有了可靠的保证，也更为方便。双 频氦氖激光的以其高稳定性在实践中得到广泛的应用，提供了实现动态测量的 可能性，从根本上解决了检定基准米尺的精度与效率问题。 第一节高精度长度测量的基本原理 一般来说，长度测量是用高精度的刻尺与被测量工件进行比对，因此刻尺 的精度决定了测量所能达到的最高精度。干涉仪中所用的光源的波长就是一把 精密的刻尺，能够提高光源波长的稳定性就能提高测量的精度。由于光源的波 长一般是微米级，基于干涉原理的测长仪器是一种高精度的长度测量仪器。 氦氖激光器能够发出亮度高、方向性、稳定性单色性、相干性俱好的激光， 因此能够用它作为高精度的测量干涉仪的光源，适合在精密计量部门中的应用。 迈克尔逊干涉仪是典型的干涉仪，可方便安装被测量的样品，它们的光程 差可由移动的反射镜的位置来改变，于涉仪的测量原理图如下图所示： 图1 1 s ： 光源l ：透镜 g 1 ： 平行玻璃板 g 2 ： 补偿平行玻璃板 m 1 ：反射镜 m 2 ：反射镜2m 2 ：反射镜2 在参考臂中的映像 e ：接收器d ：测量距离 m 1 和m 2 是在相互垂直的两臂上放置的两块相互垂直的平面反射镜，而 m 2 可沿着一条精密的导轨作精确平稳的平行移动，两块平面反射镜表面均镀 西安理工大学硕士论文第一章绪论 有高反射率的反射膜层。g 1 和g 2 是两块材料相同，厚度相等的平行平面玻理 板。其中g 1 的第二面镀有半透半反射的膜层。由光源s 发出的光，经透镜l 的准直( 即变为平行光) 后，照射在g 1 的膜层上，一半透过一半反射。g 1 称 为分光板。为使m 1 ，m 2 在于g l 的膜层距离相同时两臂的光程差相等，加入 补尝板g 2 。g 1 ，g 2 相互平行，并且与m 1 、m 2 成4 5 。夹角，在e 处眼睛可 看到干涉图样，光电接收器可接收到干涉信号。 来自m 2 的反射光可以看作是从m 2 发射出来的，m 2 是由g 1 的镀膜 层形成的m 2 的虚像。这样，如果m 1 和m 2 不是严格垂直，则m 1 和m 2 就 不是严格的平行，相当于形成了一个楔形板，所形成的干涉图案是近似平行的 等厚干涉条纹。在平行单色光垂直入射到反射镜m 1 和m 27 上的情况下，光 束在m 1 和m 27 上反射后产生的光程差为： = 2 n d ( 1 一1 ) 其中d 是m 1 和m 2 之间的距离，n 是空气的折射率，当改变 2 时， 视场中就移过一个条纹。计数移过的视场中固定点的干涉条纹的数目k 就可以 求出m 2 移动的距离： d = k 九2 ( 1 2 ) 其中 是光源的波长。 双频激光干涉仪就是以迈克尔逊干涉仪为基础，根据具体的使用要求而设 计制造的，由于激光的相干性好，不再需要补偿板，且光程差可达数十米以上。 它的测量原理示意图如下图所示： j g ：激光器 s ：偏振分光镜 d 1 ：光电接收器1 l ：测量距离 图卜一2 f l ：分光镜1 j l ：角隅棱镜1 d 2 ：光电接收器2 2 f 2 ：分光镜2 j 2 ：角隅棱镜2 j 2 ：移动后的棱镜2 西安理工大学硕士论文 第一章 绪论 图1 2 所示，根据多普勒效应，双频激光干涉仪测量值为： l = n 九2 = 九2 ，f d t( 1 3 ) 其中l 测量距离： n 半波长的整数个数； 激光波长： f 一激光器产生的两束单色光频率之差。 双频激光干涉仪是一种增量式不间断测量，它用合成波长为 的作为光源 采用干涉法测量长度的基本测量方程式为： l = ( m + e ) 2 ( 1 4 ) 其中i 被测长度； x 合成波长； l i 卜一干涉条纹整数； e 干涉条纹尾数，且0 s v o ，则保留这一位为“l ”； 若n v o ，则保留这一位为“l ”；若n 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 v o ，则d n 2 置“0 ”。如此一位一位地继续，直到最后一位比较完毕。此后，转 换器发出转换结束信号。这样经过n 次比较后，n 位寄存器的状态就是转换后 的数字量数据，经锁存器输出。 a d 0 8 0 9 采用逐位逼近转换原理，由8 路模拟开关、控制端、地址锁存允许 端口等部分。 课题中输入输出口的设置如下： 地址线的a o 、a 1 、a 2 接a d c 0 8 0 9 的a d d a 、a d d b 、a d d c 口地址引脚 0 x 2 0 8 0 x 2 0 fa l e 0 x 2 0 3e n a b l e 0 x 2 0 2 s t a r t 0 x 2 0 3采样保持器第8 脚 驱动程序如下： o u t p u t b ( 0 ) ( 2 0 3 ，o x o o ) ； 访问地址一次，给采样保持器 送脉冲； o u t p u t b ( o ) ( 2 0 8 ，0 ) 【o o ) ； 锁存地址； o u t p u t b ( o x 2 0 2 ，o ) 【o o ) ； 模数转换器开始转换 f o r ( i - o ；i 10 0 0 0 ；i + + ) n o t v a l u e = o ： v a l u e = o u t p u t b ( o x 2 0 3 ) ； 转换延时； ，输出数据 6 、微机接口电路 课题中采用的是p c 机的i s a 标准总线，总共有1 0 2 4 个i o 口，其中低5 1 2 个被p c 机内部使用，其余的高5 1 2 个对用户开放，地址线为a o a 8 ，整个有 效地址范围为2 0 0 3 f f ，实际使用时可根据不同机型的地址分配表留给用户的 i o 口，灵活选择。课题中的译码电路由三个t t l 三八译码器、跳线器等组成， 通过跳线器的不同连接，可以灵活选择p c b 板上的a 8 a 3 地址线，a 2 一a 0 地址线可作a d c 0 8 0 9 的内部片选线。 7 、微机处理( 控制算法) 在模拟系统中，其过程控制方式是将被测参数由传感器变成统一的标准信号 送入调节器。在调节器中，与给定值比较，然后把比较结果经p i d 运算后送到执 行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。而在数字控制系统中，则是用数 字调节器来实现模拟调节器的作用。其调节过程首先把过程参数进行采样，并通 过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，这些数字量经计算机按一定的控制算法 进行运算处理，运算结果经处理后以模拟量的形式从模拟通道输出，并通过执行 机构去控制生产，以达到给定值。 微机控制的优点是： l 、一机多用。由于微机运行速度快，而被控制对象变化一般比较缓慢，因此， 用微机可以控制几个回路，可大量节省设备费用。 西安理工大学硕士论文 第四章 系统方案的设计和实现 2 、控制算法灵活。使用微机不仅能实现经典的p i d 控制，而且可以应用直接 数字式控制。即使使用经典的p i d 控制，也可以根据系统的需要进行改进。 3 、 可靠性高。由于微机控制算法使用软件编制而成的，因此比用硬件组成的 调节器具有较高的可靠性，且系统维护简单。 4 、 可方便改变调节品质，提高产品的产量和质量。由于微机控制是严格按照 某一特定规律进行的，不会由于人为的因素造成失调。特别是在微机控制系 统中采用直接数字控制，可以按被控对象的数学模型编排程序，使用品质大 为提高，为提高经济效益创造了条件。 调节器的输出是其输入的比例、积分、微分的函数。p d 控制现在应用最广、 技术最成熟，其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就 可以调节，因此，无论模拟调节器或者数字调节大多采用p d 调节规律。 p i d 调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进 行运算，其运算结果用以输出控制。 模拟系统的p i d 算法的表达式为： 广，、 p ( r ) ：印ip ( f ) + 去p ( r ) 出+ 尉皇! 婴j ( 4 2 ) z ； 口o j 式中： p ( t 卜一调节器的输出信号； e m 一调节器的偏差信号； k p 调节器的比例系数： t i 调节器的积分时间； t d 调节器的微分时间。 但由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算 控制量。在计算机控制系统中，首先对模拟p i d 表达式进行离散化处理，用数字 形式的差分方程式代替连续系统的微分方程，得离散的p i d 表达式： 胁印+ 蠢扣，+ 等阶叫】) c 。q ， 式中： e ( k ) 第k 次采样时的偏差值： e ( k 1 ) 第k 1 次采样时的偏差值： k 。采样序号；( k 0 ，l ，2 7 3 ) p ( k ) 第k 次采样时调节器的输出值： t 采样周期。 对上式进行简化，可得 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 4 妒( 七) = 点陋( 七) 一e ( _ j 一1 ) 】+ 脚( 后) + 己d 陋( i ) 一2 e ( j 】 一1 ) + 占( 七一2 ) 】 这是增量式p i d 控制算法，它输出增量，误动作小，且不产生积分失控，容易得 到较好的效果。 在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，调节系统参数整定的好坏 直接影响调节品质，一般的生产过程都具有较大的时间常数，而数字系统的采样 周期则要小得多，所以数字调节器的参数整定，完全可以按照模拟调节器的各种 参数整定的方法进行分析和综合。但是，数字控制器和模拟控制器相比，除了比 例系数、积分时间常数、微分时间常数外，还有一个最重要的参数采样周期。合 理地选择采样周期，也是数字控制系统的关键。 采样周期的选择一般采用经验法。根据人们在工作实践中积累的经验以及被 控对象的特点、参数，先初选一个采样周期，送入计算机控制系统进行实验，根 据被控对象的控制效果，反复修改采样周期值，直到满意为止。 课题中被采样的偏差信号是没有射入接收光孔而被光电传感器接收的那部 分光束，所采用的控制算法是增量式p i 调节控制算法。 p i 计算公式为： p ( k ) - p 一1 ) + k p 【e ( k ) - e ( k 一1 ) 】+ k i e ( k ) ( 4 6 ) 控制程序流程图如下： 【 开始 】 土 接收模数 转换数值 上 计算 k i e ( k ) 上 计算 k p e ( k ) e ( k - 1 ) 】 上 计算 k “e ( k ) 一e ( k 1 ) + k i e ( k ) 西安理工大学硕士论文 第四章 系统方案的设计和实现 计算 p ( k ) 弋7 结束 图4 _ 6 二、驱动系统的实现 驱动系统的驱动元件一般都使用电机，谍题中分别使用了步进电机和直流伺 服电机作为驱动元件。 ( 一) 步进电机驱动 步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件，在数字控制系统中，它 可以直接接收数字量信号，使用比较方便。 步进电机作为控制元件的一个显著优点就是快速的启停能力。如果负荷不超 过步进电机提供的动态转矩值，就能够在“一刹那”间使步进电机启停。一般步 进电机的步进速率为2 0 0 到1 0 0 0 步每秒，如果步进电机是逐渐加速到最高转速， 然后再逐渐减速到零的方式工作，其步进速率可增加，仍然不会失步。 步进电机的另一显著优点是控制精度高。在没有齿轮的情况下，步矩角( 即 每步所转过的角度) 可以由每步9 0 。到o 3 6 。另一方面，无论是变磁阻式步 迸电机还是永磁式步进电机都能精确地回到原来的位置。 步进电机实际上是一个数字角度转换器，对于课题中使用四相( a 相、b 相、c 相、d 相) 步进电机，步进电机定子每个磁极上各有均布的矩形小齿，而 步进电机的转子上没有绕组，只是有许多个矩形小齿均匀分布在圆周上。当某一 相绕组有电流流过时，该绕组相应的两个磁极立即形成n 极和s 极的磁场，并 与转子形成磁路，若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场力的作用 下，转子转过一个步矩角，使转子齿和定子的齿在通电绕组对应方向对齐，此时 步进电机走了一步。 课题中采用的是四相八拍控制方式，通电顺序是a 一a b 卜b - b c c 。卜c d d 卜d a a 。 步进电机的典型控制系统组成如下图所示： 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 图4 7 步进电机控制主要由步进控制器，功率放大控制器及步进电机组成。其中， 步进电机由缓冲寄存器、环行分配器、控制逻辑及正反控制门等组成。它的作用 就是能把输入的脉冲转换成环行脉冲，以便控制电机，并能进行正反向控制。功 率放大器的作用是把控制器输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种 控制方式中，由于步进电机控制线路复杂、成本高，但采用计算机控制系统，由 软件代替上述步进控制器，将简化线路，降低成本，而且可靠性也会大为提高。 步进电机的微机控制框图如下图所示： 微机的主要作用是把并行的二进制码转换成串性输出的脉冲序列，并实现方 向控制。每当步进电机脉冲线上得到一个脉冲，它沿着转向控制方向前进一步。 只要负载在步进电机的允许范围之内，每个脉冲将使步进电机转过一个固定的步 矩角。 课题中采用的步进电机驱动程序框图如下：步进电机的转动方向的标志为 c n a g s ，输出口地址为0 x 2 0 7 。 西安理工大学硕士论文 第四章 系统方案的设计和实现 图4 9 ( 二) 直流伺服电机的伪脉宽调速 课题使用的步进电机由于功率太小，机械系统的摩擦力比较大，步进电机步 进延迟大，系统的响应速度慢，因此，实验过程中又改用直流电机。直流电机对 控制性能要求比较高，课题中采用的是伪脉宽调速方法。 脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，简称p w m 一脉冲周期不变，只 改变三极管的导通时间，即改变脉冲宽度。 双极式h 型可逆p w m 变换器的电路原理图如下： + v c 亡 v 鲫 埝 i t 3 i m 融受 m v v t 4u 图4 1 0 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 四个三极管的基极驱动分为两组。v t l 和v t 4 同时导通和关断，其驱动电 压u b l = u b 4 ：v t 2 和v t 3 同时导通和关断，其驱动电压u b 2 = u b 3 = 一u b l 。在一个 开关周期内，当o t t o n 时，u b l 和u 为正，晶体管v t l 和v t 4 导通：而 u b 2 和u b 3 为负，v t 2 和v t 3 截止。这时，+ v c c 加在a b 两端，u a b = u s ，电枢 电流i d 沿回路1 流通。当t o n 三t 1 2 ，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电 动机正转；当正脉冲较窄时，t o n 0 时，+ u c 的作用和u b 相减( 即与u s a 相加) ，则在运算放大器输 入端三个信号合成电压为正的宽度增大，经运算放大器倒相后，输出脉冲电压 u p w 的正半波变窄。 当u c 0 时，u c 与u b 的作用相加，则情况相反，输出的正半波增宽。 一u 她 ud w 0 图4 1 1 这样，改变控制电压u c 的极性，也就改变了双极式p w m 变换器输出平均 电压的极性，因而改变了电动机的转向。改变u c 的大小，则调节输出脉冲的宽 度，从而调节电动机的转速。只要锯齿波的线性度足够好，输出脉冲的宽度和 控制电压u c 的大小成正比的。 在可逆p w m 变换器中，跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作， 由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间，总称关断时间，这段 时间内晶体管并未完全关断。如果在此期间另一晶体管已经导通，则将造成上下 两管直通，从而使电源正负极短路。为了避免发生这种情况，设置了由r 、c 电 路构成的逻辑延时环节，保证在一个管子发出关闭脉冲后，延时后再发出对另一 个管子的开通脉冲。 脉冲调制其输出的脉冲信号经过分配和逻辑延时后，送给基极驱动器功率放 大，以驱动主电路的晶体管，每个晶体管应有独立的基极驱动器。由于各驱动器 是独立的，但控制电路共用，因此必须使控制电路与驱动器电路互相隔离，常用 光电耦合器实现这一隔离作用。 课题中采样周期就是脉宽调制控制的一个周期，对光电池传感器所接收的偏 差信号，经过电路处理转换成数字量信号输入计算机，再经过比例积分控制算法 运算后折算成电机可导通的时间，亦即改变了等周期电机导通脉冲的宽度，这就 是课题中伪脉宽调速的思想。 课题中电机驱动电路原理图如下图所示： p - u广h几u nh儿刚阱 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 图4 一1 2 电路中采用了光电耦合器，使用n p n 晶体管作为驱动器件，它能够把基极 电流放大b 倍。 计算机把经过处理后的数据转换成脉冲宽度，输出到锁存器，锁存器驱动对 应的光电耦合器，使晶体管能够驱动电机工作。 三、执行机构的实现 作为一个动态跟踪系统，机械系统也是一个比较重要的组成部分，它对系统 的响应特性有重要影响。课题中机械结构信号流程框图如下图所示： 支撑测量光电 输入 螺杆 板摆 反射信号 螺母动机镜运接收 机构 构动机机构 构 图4 1 3 机械系统主要结构的示意图如下图所示 图4 - 一1 4 西安理工大学硕士论文 第四章 系统方案的设计和实现 l ：电机 4 ：钢球 7 ：光电池座 2 ：螺母 5 ：托板 8 ；光电池 3 ：螺杆 6 ：激光器 9 ：分光镜 上图中主要需要解决的设计问题有两个： 1 、托板的转动支撑在什么位置。这是由电机承载能力有限以及光电池接收器对 测量系统作用的实际情况决定的，支撑位置最好能放在托板以及托板上物体 的共同的重心上，但受转动后重心偏移的以及可能倾覆的影响，支撑点放在 重心靠近螺杆的一侧。 2 、 螺杆的长度。因为在实际测量中反射镜的上下摆动位置是控制在一定范围 之内的，因此螺杆的长度设计成一定的长度范围。 ( 一) 转动支撑位置的确定 上图中各主要物体的参数如下： 物体长度 双频激光器： 4 1 0m m 分光镜5 1 m m 磁力表座5 0 m m 托板尺寸5 5 0 m m 1 8 4 m m 各物体的放置位置如下图所示： 质量 约7 0 埏 约1 0 埏 约1 5 埏 3 m m 约2 3 7 k g 图4 1 5 图中标出了各尺寸位置值及主要的物体质量数值，其中 a k 板的总长5 5 0 m m ； a b 预留长度6 2 m m ； c 激光器重心位置长度； b c 激光器长度4 1 0 m m ； e 板的重心位置； 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 f 转动中心； g 磁力表座及分光镜位置 h k 磁力表座长度。 根据力矩平衡原理分析得： 7 ( 5 5 0 x 一4 2 9 ) + 2 3 7 ( 2 7 5 一x ) = 2 5 g 一2 5 ) 7 ( 3 0 l x ) + 2 1 3 7 2 7 5 2 - 3 7 x = 2 5 x 一2 5 2 5 1 1 8 7 工= 2 8 2 1 5 x 兰2 3 8 m 因为双频激光器的重心位置不精确和光电池装置质量的忽略以及磁力表座、 分光镜组合的重心位置的不精确，支点的安装不精确性等，必须有一个调整环节。 因激光器的质量较大，所以以它作为调整环节，使它能够在托板上前后移动 1 0 m m ，以避免重心位置确定的复杂性。 ( 二) 螺杆长度的确定 测量过程中要求测量反射镜能够在上下1 0 0 m m 内运动，因此只有里双频激 光器晟近时，螺杆运动才是最长的，其运动示意图如下： z1 0 0 3 0 22 0 0 0 x 兰1 6 m 研 图4 一1 6 为尽可能缩短螺杆的长度，假设测量反射镜离转动支点2 米以外开始运动， 其实，由于一般开始时，测量反射镜的运动高度在较小的范围内，反射镜不用离 那么远开始。 因此，螺杆长度l 为： o o o o 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 三= 2 z + 螺母长度 设螺母长度为8 l o m m ，为保险可适当预留一点长度，则l 可取为： 三= 2 x 1 6 + 1 0 + 8 = 5 0 ，扎晰 本来按照跟随系统的要求，系统整体越轻越好，但因为双频激光器本身质量 大，其底座托板受刚度和长度的要求质量也相当大，因此只能要求测量反射镜的 运动速度降低，使执行机构能及时跟踪。 第四节测量系统的动态响应分析 双频激光干涉仪动态测量系统是一个比较典型的反馈控制系统，它采用微机 代替模拟调节器，可以充分利用软件编制、修改容易的优点实现所需要算法。 控制系统一般都要求系统稳定、响应速度快、控制精度高，因此系统设计时要根 据动态响应要求设计参数，系统设计完以后还要根据实际工作状况调整参数，以 使系统的性能得到优化。 双频激光干涉仪动态测量系统的信号流程框图如下图所示： 图4 1 8 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 根据信号流程图可得系统传递函数框图如下图所示： 位移信号 位移 图4 一1 9 其中： k 1 放大系数； d ( s ) 计算机调节器传递函数； g l 一 保持器传递函数； g 卜 驱动器传递函数； g 3 一 调节系统传递函数。 驱动器是直流伺服电动机，其传递函数g 2 可简化为： ，1 足3 u 2 2 一 j ( l s + 1 ) 其中： 驱动系统增益； t m 电机机电常数。 机械传动调节系统的传递函数g 3 为： g 。：喾1 ( 耶2 i 去，“i 其中： k 4 机械传动调节系统增益； n 传动系统的减速比； y ，传动系统的转动惯量和： j o 折算到电机等效转动惯量 k o 等效弹簧系数。 d ( s ) 是p i 调节器，其传递函数为： d ( s ) ：堑 凡 k p p i 调节器的增益系数； t i p i 调节器的积分时间常数。 因此，测量系统的传递函数g ( s ) 为： 西安理工大学硕士论文第四章系统方案的设计和实现 g ( s ) ：茎! ：2 竺2 ：鱼：堡! ：堡! l + 足1 d f 曲g 1 g 2 g 3 上式中的d ( s ) 是连续系统的p i 调节器，实际测量系统中是由计算机来实 现此调节器的。p i 调节器参数的确定是通过在大量实验基础上选取的一组动态 跟踪性能较好的数值。 西安理工大学硕士论文 第五章 动态实验与结果分析 第五章动态实验与结果分析 在完成了课题大长度激光动态跟踪测量系统的各个部分设计后，把这些部 分组合在一起作为一个整体，根据系统的实际情况，作了大量实验，挑选了一 组系统响应较好的p i 调节参数。在这种控制方式控制下课题中做了多组测量实 验，验证了系统的功能及准确性。 第一节动态跟踪的实验 动态跟踪实验的目的是为了验证在测量反射镜作曲线运动的情况下，系统 测量的结果与反射镜作直线运动时测量结果是否一致。由于反射镜作曲线运动 的情况是复杂的，课题仅对一维跟踪测量进行了讨论并进行了两类实验：一类 是利用比长仪在测量方向上的精确移动，测量反射镜在工作台上作升降运动； 另一类是测量反射镜靠在一平面上作曲线运动。最后测量反射镜又回到初始测 量方向。 、 一、精确移动的实验 这个实验中，利用比长仪的精确移动获得测量长度准确值，测量反射镜作 阶梯运动，激光器动态跟随测量反射镜作上下摆动，最终测量反射镜回至4 初始 位置，激光器也相应回到初始测量方向。 在测量方向上，测量反射镜运动示意图如下： 门 八 def61j一( l 图5 2 图中a b 是测量长度，c 、d 、e 、f 、g 、h 、j 、k 、l 点都是测量长度各 点上测量反射镜上升或下降的位置。 3 9 西安理工丈学瑚士话文 第五章 动态实验与结果分析 实验中根据测量距离分别以0 m m 、1 r r 皿、2 衄、3 i i l i n 、5 m m 、8 m m 、1 0 m m 、 5 0 m m 、8 妇1 m 、1 0 0 i i 曲、1 2 0 r r 蚰为单位各自作了2 0 组数据( 见附录一) ，其数 据分散性标准差分别是2 1 u t i i 、2 3 u 皿、2 2 u m 、2 2 u 、2 6 u m 、2 5 岫、z 2 u m 、 2 + j u m 、2 0 u 、2 4 哪、2 6 u 】i 】。这些数据表明： 1 、曲线运动时的测量数据和比长仪的测量值基本吻合： 2 、j 匾! | 置数据的分散性明显大于直线运动测量时的值； 3 、测量数据的分散性不随测量长度的变化而有规律的变化； 4 、测量数据的分散性比较恒定，说明它受某些固定因素的影响： 二、测量工件的实验 选个实验中，工件放置在一个水平平台上，仅靠着它的是与此水平平台相 垂直的另一平台，测量反射镜靠在着块垂直平台作曲线运动。实验装置如下相 砖既示t 测量反射镜在测量方向上的运动曲线示意图如下 西安理工大学硕士论文第五章动态实验与结果分析 图中a b 直线是测量工件的长度，a b 曲线是测量反射镜的运动曲线。 实验中测量了两个工件，并对工件的前端和后端分别作了定位测量，测量 长工件的测量值( 见附录二) 的分散性标准差分别是： 前端定位后端定位测长值 标准差o1标准差o2标准差a3 2 6u m3 1u 【i l4 5u m 3 2u 3 0l l m4 4u m 短工件测量值( 见附录三) 前端定位 标准差ol 2 5 8u m 的分散性的标准差分别是： 后端定位 测长 标准差o2标准差o3 2 6 2u m3 8u m 这两个实验的测量数据表明： 1 、 实验中产生的误差主要是由激光头旋转机构的径向跳动和反射镜定位 不精确引起的； 2 、 测量长度大于两次定位的测长标准差o3 和前、后端面两次定位标准差 o1 、标准差o2 基本符合盯1 2 + 仃2 2 = 盯3 2 ； 3 、短工件是一个短圆环，长工件两端是曲面，相对来说短工件的接触定 位好于长工件，因此短工件前后端面定位分散性略小于长工件； 4 、只要保证干涉仪正常工作，测量结果不受测量反射镜运动路线的影响； 5 、测量中单次测量的不确定度约为1 0 啪左右，这是大尺寸无导轨测量可 以允许的。 第二节实验结果分析及改进设想 从第一节所做实验得出的结果，可以证实课题中提出的测量方法是可行的， 但测量系统中由于加工精度、装配调整精度、控制系统的控制精度、以及接触 式测量中定位的不确定性，给测量系统带来了误差，因此还需要采取措施来减 小误差。 激光动态跟踪测量系统实验的误差来源于以下几部分： l 、跟踪系统摆动机构的径向跳动误差 由于机械零件加工、机构装配中不可避免的存在误差，摆动机构运动过 程中在测量方向上跳动，给测量带来一项误差。 西安理工大学硕士论文第五章动态实验与结果分析 2 、测量反射镜的定位误差 实验中测量反射镜与工件的端面是接触的，这给测量带来定位重复性 误差，它也是实验误差的主要来源。 3 、与标准环境不同产生的误差 实际测量过程中的环境不可能是标准环境，由温度、气压差异导致空气折 射率改变而产生一项误差。特别是温度分布不均产生的误差很难修正。 4 、双频激光干涉仪的误差 精密测量中，激光波长就是一把标准尺，因此激光频率不稳定也会产生 一项误差。 在上愿四项误差中，第一和第二项误差是主要的，其余两项可通过修正 加以改善。为减小第一项径向跳动误差，须改变现在使用的摆动结构，采用 刀口作为摆动支撑有利于减小测量方向跳动产生的误差。对于第二项误差源主 要依靠定位夹具等精确定位装置来改善定位重复性。温度不均带来的误差只能 用平均温度计算值来修正。 以上测量数据是按实际实验条件分析和测量得到的，受实验条件的限制， 没有做更长距离的测量，单就实验的要求及实验的过程来看，已经验证此测量 方法的可行性。实验完全按照测量方法的原理，通过测量反射镜的阶梯运动和 曲线运动都实现了与直线运动相吻合的测量值。课题仅对测量反射镜除测量方 向的一维作曲线运动做了研究，只要解决了实验中存在的系统响应不够快、光 电池传感器信号易受干扰的缺点，测量反射镜作三维运动时也能用动态跟踪方 法实现测量任务。 动态跟踪系统的发展趋势要求跟踪性能良好、跟踪精度高、响应速度快、 并能够大方位角跟踪测量反射镜。针对实验中跟踪速度慢，测量反射镜调节范 围小的缺点，提出以下改进措施，进一步完善大长度动态跟踪测量方法。 l 、跟随系统从控制双频激光干涉仪改为增加出射反射镜并控制出射测量光束的 反射镜实现跟踪。 根据自动控制原理，在传动调节系统部分，机构要获得大的加速度，负载 必须要小，即受控部分激光头的质量要小，这是不现实的，因此只能改变受控 部分，现设想在激光器前放置一个反射镜改变光路，只需要控制此反射镜的摆 动就相当于调整了激光头。其测量控制原理图如下图所示： 西安理工大学硕士论文第五章动态实验与结果分析 图5 5 2 、将测量三面直角反射镜改为猫眼以利于增大调节范围。 猫眼反射器是由一个透镜和一个凹面反射镜组成，反射镜放在透镜的主 焦点上，从左边来的平行入射光束聚焦在反射镜上。反射镜又把光束反射到透 镜，并沿与入射光平行的方向射出。猫眼比角隅棱镜有更大的调节范围。 3 、控制方式的改进 传统的p i d 控制技术提高跟踪精度必须提高增益或积分环节，这会使控 制系统的稳定性受到影响。因此，光电跟踪系统需要建立一种最佳预估和控制 算法，可以采用预测或自适应控制技术，在数据处理中消除干扰和噪声，并根 据某种最佳判据，预测目标的位置，以适应变化的客观条件。 西安理工大学硕士论文小结 小结 由于大型工件的加工、装配调试的精密测量到目前为止还缺乏有效的检测方 法，本课题提出了激光干涉仪动态跟踪测量方法对大长度测距进行了初步的研 究，并对新方法的可行性进行了实验验证。 本文首先对大长度的测量现状和进行精密测量的难度进行了分析，对双频激 光干涉仪的测量原理进行了深入解剖，并根据双频激光干涉仪工作过程中允许光 斑有一定不重合的特点以及对光程差与路径无关的理解，构思了一种跟踪式双频 激光干涉测距的新方法。课题前期工作中采用模拟装置用手动方式调节激光头跟 踪测量反射镜运动方法进行了大量前期实验，得出的结果与传统双频激光干涉仪 所测结果是吻合的，这证明此测量新方法是可行的。 课题中把光斑偏差信号的测控作为主要任务，提出了光电池作为接收传感器 和c c d 作为接收传感器的两种测控方案。经过仔细分析比较，综合各种因素， 确定采用光电池传感器接收系统方案作为课题的研究方案。根据测控系统要求结 合课题的实际情况，课题中做了设计光电池传感器电路、信号放大电路、采样保 持电路、模数转换电路、计算机接口电路、跟踪系统的机械系统、电机驱动电路、 测量系统控制软件以及驱动软件等工作，并且对动态跟踪测量系统的软、硬件进 行了综合调试。利用比长仪的高精度性能作了多组对比性实验，并按测量方法的 预定设想进行了两个工件的测量实验，通过对这些实验结果的分析表明：动态测 量新方法的原理是正确的，提出的测量方案是可行的，达到了课题研究的目的。 限于实际情况，课题中仅对测量反射镜在沿除测量方向以外的一维曲线运动 做了研究，因此，要使课题中提出的方法应用的实际测量中去，需要对测量反射 镜作两维曲线运动的跟踪系统进行研究实验，并且对系统的动态响应性能要进行 大力改进，这些工作都有待于今后进行进一步研究实验。 西安理工大学硕士论文致谢 致谢 本课题是在我尊敬的导师郭彦珍教授、李信教授、邱宗明教授、 高宗海副教授、赵念念老师和李林老师的悉心指导下完成的。导师们 渊博的学识、严谨的治学态度、废寝忘食的工作作风、诲人不倦的 育人精神给我留下了深刻的印象，这必将指导我今后学习、工作和生 活产生积极和深远的影响。在此，谨向我尊敬的导师们致以崇敬的敬 意和衷心的感谢! 在课题研究期间，也得到了黄秋红师姐、尉宁师兄、耿建旭师兄、 刘文静师姐以及李金喜、王吉晖、赵敏、方震、任礼霞、范毅、郑伟 等同学的大力支持和热情帮助，在此也表示诚挚的谢意。 同时，对一直全力支持我完成学业的父母和女友也表示诚挚的感 谢和衷心的祝福。 西安理工大学硕士论文 参考文献 【2 7 2 8 参考文献 关信安、袁树忠、刘玉照编著双频激光干涉仪 中国计量出版社1 9 8 叶声华主编激光在精密计量中的应用机械工业出版社1 9 8 5 王佳、刘永东、梁晋文工业动态跟踪测量的原则与技术特点 计量学报第二十一卷第一期2 0 0 0 刘永东、王佳、梁晋文运动目标空间坐标多站法激光跟踪测量建模 现代计量测试第五期1 9 9 7 尤政、任伟明、梁晋文无导轨绝对距离测量技术的研究 应用激光 第十四卷第五期1 9 9 4 尤政、冯其波、梁晋文高精度大孔轴直径自动测量系统的研究 实用测试技术第三期1 9 9 4 赵贤森几种光波干涉测长方法的比较实用测试技术第五期 1 9 9 ： 梁铨廷物理光学机械工业出版社 1 9 8 3 任伟明、粱晋文大尺寸绝对距离测量发展综述 计测技术1 9 9 1 张建敏 实用大型工件外径测量系统的研究清华大学精密仪器系 19 9 5 刘永东 运动目标坐标及姿态激光跟踪测量理论与系统研究 清华大学精密仪器与机械系1 9 9 9 刘永东、王佳、梁晋文运动目标空间位置坐标激光跟踪测量的数学模型 光学技术第六期1 9 9 7 童诗白模拟电子技术高等教育出版社 1 9 9 1 阎石数字电子技术基础高等教育出版社1 9 9 1 张国雄精密仪器电路机械工业出版社1 9 8 8 王国定等r r l 集成电路国防工业出版社1 9 8 5 谭浩强主编c 语言程序设计清华大学出版社1 9 9 l 王仕元主编c 高级实用程序设计清华大学出版社 1 9