（机械电子工程专业论文）激光对开中仪的设计与研制.pdf

辫 嘉 爹 硕士研究生： 指导教师： 学位级别 ： 学科、专业： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 孟海星 丛培田教授 工学硕士 机械电子工程 机械工程学院 2 0 0 9 年1 2 月2 9 日 2 0 1 0 年3 月2 4 日 沈阳理工大学 广 r - r 一 目厶皆f 由口7 4 ，网 臼1 厂：右嚣蛳台 ， e l , f 7 c 皆乏由o j 。c - 蔼白譬：专焉岩勤 口茸拱华杀岛刨 口 旱群延抱骂千斟 囚茸观千通 口 茸锲千斟：瑶椠茸识 丐币牙一：刨期环甫 1 r f f 承1 阿：珥翱环南 弋酉羽强章历匹旷万苓骚习霭髟。目鳍茸识 。胜砰朝茸识擎髯# 渐砚髯翠禺哿y 章期回( 岛群 斜粝幽冒骂呜酉嘴夏壬刮业可辨耳) 影殂冒身身桑箕犁 群磉茸弓茸观码嘉国审睡誉劲茸歌珂赤y 卓赫鲻琶地冒骂半辑 素性国士砰揖磁莓识毋龄非椠茸识码秦y 章设戥姜胖朝茸秘 瞠明目旗蘑髯妊犁誓磉茸弓茸观再嘉国七b 姆上弓摹y 章 。影丑朝捌哿辑茸艳群萋璐据隅半辑髦圄椠 嬖粤茸百责群劲茸歌珂杀朝军餮髫国普骅衅暂础瞠延拽茸粤 辑性再号苗明冒覃蜾辑性髻国普增延地胃骂半辑杀性国士 斗砰群明萃孤珥毒 7 j ，j ， ：一? ? i i jj ： ， 。 r 0 _ 1 9 aqjjjiilltl 11ftli， c 1 a s s i f i c a t i o ni n d e x ：t h 一3 9 u d c ：6 2 1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo f m e n g t h es t u d ya n d d e s i g no f t h el a s e rs h a f ta l i g n m e n ti n s t r u m e n t 、 c a n d i d a t e ：m e n gh a i x i n 霉； s u p e r v i s o r ：p r o f c o n gp e i t i a n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g ， s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fe x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 01o u n i v e r s i t y ：s h e n y a n gl i g o n gu n i v e r s i t y 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期 ： 始磊可日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：喜哆、慝 日 期：帅a 彳 指导教师签名：红夕印曰 日期： 毋。，、，尸 沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 轴传动是机械传动的一种重要方式，检测和调整机械轴对中( 即同轴) 是实现 轴传动的重要一步，良好的轴对中是保证设备正常运行、降低振动和噪声、减少 机器损坏、防止和排除突发故障的重要保证。经验证明，若轴对中不准将造成机 械损坏，严重时甚至危害工作人员的人身安全。 激光对中仪主要用于检测动力机械装置在安装和维修调配过程中的机械轴 对中偏差和调整量。目前国外已出现了多种高技术、高精度的激光对中仪，如德 国普鲁夫激光对中仪，瑞典f i x t u r l a s e r 激光对中仪等，但该类仪器价格昂贵。 本课题旨在研发出一种基于位敏传感器( p s d ) 的高精度、高效率的激光对中测量仪 器，以满足工程上的迫切需要。 在本课题的研究中，研究了位置敏感探测器p s d 检测激光光斑能量中心的特 点和探测机理，并设计了p s d 后续处理电路，建立了双光束l d p s d 激光对中仪的 数学模型，推导出被测量参数坐标计算公式，通过该公式可得出两回转轴的位置 偏差。在实际测量中，只要测量双光束l d p s d 在特定位置时光斑的坐标，即可求 得两轴的相对位置，并进而计算出调整量。本系统核心m c u 是新华龙公司 c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机，该单片机对经过放大的p s d 输入电压信号进行采集，经过片内 a d 转换后，送入主机进行处理。本系统主要包括半导体激光器、位敏传感器、放 大电路模块、倾角仪、单片机系统、l c d 显示模块和键盘模块。 软件系统上设计了两点法和三点法测量的测量方式，通过具体实验，验证了 倾角仪的精度和激光对中仪的准确性。 关键词：激光轴对中，单片机控制，倾角仪 p o w e rt r a n s m i s s i o n t h e av e r yi m p o r t a n ts t e pi n r e a l i z i n gt h es h a f td r i v e ，s oag o o ds h a f ta l i g n m e n ti s c o n s i d e r e da s i m p o r t a n t a s s u r e a n c e ，w h i c hc a l lc e r t i f yt h ee q u i p m e n t 谢t l ln o r m a lo p e r a t i o n ；r e d u c ev i b r a t i o n ， n o i s e ，m a c h i n ed a m a g e ；p r e v e n ta n dr e m o v et h eu n e x p e c t e df a i l u r e s e x p e r i e n c eh a s s h o w nt h a ti ft h es h a _ f ta l i g n m e n ti sn o ta c c u r a t ee n o u g hw i l lr e s u l ti nm e c h a n ed a m a g e b a d l y , e v e ne n d a n g e rt h el i v e so fs t a f f t h el a s e rs h a ra l i g n m e n ti n s t r u m e n tc a l l m a i n l yd e t e c t t h ed e v a t i o na n d a d j u s t m e n td u r i n gt h ep r o c e s so fm e a s u r i n ga n da l i g n i n gm a c h i n e s c u r r e n t l y ，t h e r e a r em a n yh i g h - t e e ha n dh i g h - p r e c i s i o nl a s e rs h a ra l i g n m e n ti n s t r u m e n ti nf - 0 r e i 班 c o u n t r i e s ，s u c ha sg e r m a n y sp r o o fl a s e ri n s t r u m e n t , s w e d e n sf i x t u r l a s e r i n s t r u m e n ta n ds oo n , b u tt h e ya r ee x p e n s i v e s oi nt h i st h e s i s ，w ea i mt od e s i g na h i 曲- p r e c i s i o na n dh i g h e f f i c i e n tl a s e rs h a f ta l i g n m e n ti n s t r u m e n tw h i c hb a s e do n p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ( p s d ) a n di no r d e rt om e e tt h eu r g e n tn e e d so fe n g i n e e r i n g d u r i n gt h ed e s i g no ft h i si n s t r u m e n t ，w es t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co fl a s e r sb a r es p o t e n e r g yc e n t e rw h i c hd e t e c t e db yp o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o rp s d ，a n di t sc i r c u i t ； e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft w ol a s e rb e a ml d p s da l i g n m e n ti n s t r u m e n t s ， d e d u c et h ef o r m u l a t i o no ft h em e a s u r e dp a r a m e t e r s ，a n dt h o u g ht h i sf o r m u l a t i o nw e c a l lg e tt h el o a c t i o no ft h e2r o t a ya x e s i nt h ep r a c t i c eo fm e a s u r e m e n t ，a sl o n ga sw e m e a s u r et h ed o u b l e b e a ml d p s db a r es p o ti ns p e c i a ll o c a t i o n s ，w ec a no b t a i nt h e r e l a t i v ep o s i t i o no ft h et w oa x e s ，a n dg e tt h ea d j u s t m e n t t h ec o r eo ft h es y s t e mm c u i st h ec y g n a lc o m p a n y sc 8 0 51f 0 0 5m i c r o c o n t r o l l e r , w h i c hc a na c q u i r et h ei n p u t v o l t a g es i 霉1 a l o ft h e e n l a r g e dp s d t h i ss y s t e mi n c l u d e ss e m i c o n d u c t o rl a s e r s ， p o s i t i o ns e n s i t i v es e n s o r s ，a m p l i f i e rm o d u l e ，i n c l i n o m e t e r , s i n g l e c h i ps y s t e m ，l c d d i s p l a ya n dk e y b o a r dm o d u l e 沈阳理工大学硕士学位论文 i ns o f t w a r es y s t e m ，t w od e t e c tm e t h o d sw h i c hw ec a l l e dt w o p o i n ta n dt h r e e - p o i n t m e t h o dh a v eb e e nd e s i g n e d ，t h o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h ep r e c i s i o no ft h ei n c l i n o m e t e r a n dt h ea c c u r a c yo ft h el a s e rs h a f ta l i g n m e n ti n s t r u m e n th a v eb e e nc e r t i f i e d k e y w o r d s ：s h a f tl a s e ra l i g n m e n t ，s c mc o n t r o l ，i n c l i n o m e t e 目录 目录 1 2 引起设备不对中的主要因素及其主要分类2 1 2 1 引起设备不对中的主要因素2 1 2 2 不对中的主要分类3 1 3 轴对中的方法介绍3 1 3 1 传统的轴对中方法3 7 1 3 2 激光对中法5 1 4 激光对中仪发展的历程、现状5 1 4 1 国外激光对中仪发展情况5 1 4 2 国内激光对中仪发展情况6 1 5 课题意义及整体方案的设计6 第2 章激光对中仪的原理及机械系统结构的设计8 2 1 激光对中仪的原理8 2 1 1 原理8 2 1 2 数学模型的建立8 2 2 机械系统结构的设计1 7 2 2 1l d p s d 装置盒1 7 2 2 2 固定杆与v 型块1 9 2 2 3 链条夹紧连接装置2 0 2 3 本章小结2 1 第3 章激光对中仪硬件系统的设计2 2 3 1 半导体激光发射器l d 2 2 沈阳理工大学硕士学位论文 3 1 1 半导体激光器简介2 2 3 1 2 半导体激光器的基本原理与器件结构2 2 3 1 3 半导体激光器的应用2 4 3 1 4 激光在测量中的能量中心2 5 3 2 信号接收部分一位敏传感器p s d 2 7 3 2 1p s d 的优点2 8 3 2 2p s d 的机构及工作原理2 8 3 2 3 所选用p s d 的性能及其信号处理电路3 2 3 3 倾角仪3 5 3 3 1 倾角仪原理3 5 3 3 2a d x l 3 1 l 定标的数学模型3 6 3 3 3a d x l 3 1 1 电路的设计3 7 3 4 键盘和l c d 显示器3 8 3 4 1 键盘3 8 3 4 2l c d 液晶显示器3 9 3 5 本章小结4 2 第4 章c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机电路4 3 4 1c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机简介4 3 4 2a d 采集功能设计4 4 4 2 1a d c 系统4 4 4 2 2a d 采集电路4 7 4 3c 8 0 5 1 f 0 0 5 其它片内资源的特点及设置4 9 4 3 1 定时器4 9 4 3 2 复位源4 9 4 3 3 中断系统5 1 4 3 4 振荡器5 1 4 3 5 输入输出端口5 1 4 3 6 i t a g f ；2 4 4 激光对中仪总电路图及p c b 板5 2 目录 4 5 本章小结5 3 第5 章应用程序的设计与调试5 5 5 1 开发套件c 8 0 5 1 f 0 0 5 d k 5 5 5 1 1 开发套件c s 0 5 1 f 0 0 5 d k 简介5 5 5 1 2 集成开发环境c y g n a li d e 5 6 5 1 3 集成k e i l8 0 5 1 工具到c y g n a li d e 中5 7 5 2 应用程序的设计5 8 5 2 1a d 采集程序5 9 5 2 2 键盘程序设计6 2 5 2 3 液晶显示器l c d 的程序设计6 5 5 2 4 激光对中仪总体程序设计6 6 5 3 实验及误差分析6 7 5 3 1a d x l 3 1 1 实验分析6 7 5 3 2 激光对中仪实验及误差分析6 8 5 4 本章小结7 l 结论7 3 参考文献：7 4 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果：7 7 致谢7 8 第1 章绪论 第1 章绪论 进步和生产力的发展，大型动力设备或机组通常含有一个或 多个转子，各转子之间用联轴器连接构成轴系，传递运动和转矩。由于机器的安 装误差、工作状态下热膨胀、承载后的变形及机器基础的不均匀沉降等原因，有 可能会造成机器工作时各转子轴线之间产生不对中现象。 由统计资料显示，5 0 左右的机器故障是由不正确的对中校准所导致，具有不 对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应。如果 对中精度不高，会导致诸多潜在不利的影响，如： ( 1 ) 导致动、静部件间的摩擦，引起转轴热弯曲； ( 2 )改变轴系临界转速，使轴系振型发生变化或引起共振； ( 3 )使轴承载荷分布不均匀，恶化轴承工作状态，轻者产生半速涡动，进而 发生油膜震荡，重则发生烧瓦现象； ( 4 )产生附加应力，引起设备零、部件的过度疲劳损坏。 总之，不对中故障产生的最终结果都是增加能源消耗，造成不应有的经济损 失。德国一家权威机构曾经对数家大型企业的机组进行过统计，图1 1 是一些统 计数据和不对中故障与能量消耗的关系图。统计的机械都为旋转机械，功率为 3 0 3 5 m w 。从这几幅图我们可以看出，不对中故障越严重，能量消耗就越大n3 。 增加串童劳 阳tt o o l m u “! n a m l 051 01 5 m l l ( o o o n m n v m m ) 沈阳理工大学硕士学位论文 增加率，痘劳 02 55 07 51 0 0 1 2 51 5 0 鸺f l i o o n ) 图1 1 能量消耗与机器不对中的关系 因此，机械轴对中( 即同轴) 是各类机械的安装与维修工作中十分重要的一 步，它是保证设备正常运行、降低振动和噪声、减少机器损坏、防止和排除突发 故障及减少维修时间必不可少的重要环节，应该引起人们的足够重视。传统的轴 系同轴度测量采用目视、钢尺或钢丝，或是基于百分表、千分表和专用测量架， 通过联轴器的端面跳动和径向跳动来判断两轴对中情况，不仅校准精度低，且对 人员的工作经验有较高的要求，校正效率低。因此，必须研发出能进行高精度测 量与校准的新的技术与方法，保证设备安装与检修质量，尽可能的缩短工期，以 满足工程上的迫切需求。 1 2 引起设备不对中的主要因素及其主要分类 1 2 1 引起设备不对中的主要因素 引起设备不对中的因素有很多，例如： ( 1 ) 制造误差。 在联轴器加工过程中，由于工艺或测量等原因造成端面与轴心线不垂直或端 面螺栓孔的圆心线与轴颈不同心，在这种情况下，联轴器产生一个附加弯矩，但 这个弯矩的大小和方向不随时间及运行条件的变化而变化，只相当于在联轴器处 施加一个不平衡力，可以通过加平衡块的方法消除。 ( 2 ) 设备安装造成的轴系不对中。 由于安装过程中使用校准仪器和使用工人技术水平高低的不同，都会在不同 程度上造成设备不对中； ( 3 ) 轴系冷态对中良好，设备工作一段时间后，温度升高，由于热膨胀系数不 同造成的热态不对中； ( 4 ) 转子与轴承间的安装不对中，也称轴承不对中； 第1 章绪论 ( 5 ) 新安装的设备，基础沉降，造成不对中； 1 2 2 不对中的主要分类 转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种情况。轴颈在轴承中偏斜称为 轴承不对中。轴承不对中本身不会产生振动，它主要影响到油膜性能和阻尼。在 转子不平衡情况下由于轴承不对中对不平衡力的反作用，会出现工频振动。 机组各转子之间用联轴器连接时，如果不处在同一直线上，称为轴系不对中。 通常所讲的不对中多指轴系不对中。造成轴系不对中的原因有安装误差、管道应 变影响、温度变化热变形、基础沉降不均等。由于不对中，将导致轴向、径向交 变力，引起轴向振动和径向振动。不对中是非常普遍的故障，即使采用自动调位 轴承和可调节联轴器也难以使轴系及轴承绝对对中。当对中误差过大时，会对设 备造成一系列有害的影响。如图1 2 所示，轴系不对中一般可分为以下三种情况n 1 ： 匐：曙一一到妒。 ( a ) 平行不对中( b ) 角度不对中( c ) 综合不对中 图1 2 转子的不对中的形式 ( 1 ) 轴线平行位移，称为平行不对中。( 见图1 2 ( a ) ) ； ( 2 ) 轴线交叉成一角度，称为角度不对中。( 见图1 2 ( b ) ) ； 。 ( 3 ) 轴线位移且交叉，称为综合不对中。( 见图1 2 ( c ) ) ； 1 3 轴对中的方法介绍+ 1 3 1 传统的轴对中方法 在轴系的安装调试中，对相连接两轴的同轴度误差的测量与校正，通常都是 采用传统的找正方法，用钢带、百分表、千分表等工具进行接触式测量。测量精 度低，工作效率低，且测量结果受到测量人员本身经验的影响。 1 钢带对中法 由于存在钢带下垂、变形、制造误差等缺点，所以造成精确度很低。一般用 于以下几类设备： ( 1 ) 小型设备中； 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 非轴系的设备对中，且对中精度要求不高： ( 3 ) 大型设备的粗对中、找正。 2 百分表、千分表对中法 图1 3 干分表对中原理 千分表对中法的工作原理：按图1 3 所示方式安装千分表，图中a 和b 分别 表示需要对中的两个传动轴，o 和07 分别为a 和b 轴的轴心线与垂直于a 轴轴心 线的平面m 的交点。千分表支架固定于a 轴并随a 轴旋转一周，千分表测头触点 在b 轴表面形成的轨迹是位于平面m 内的闭合曲线( 图中虚线所示) ，当b 轴为表 面光滑的圆柱体时，该闭合陷线是一个中心位于0 点的椭圆，o o7 即为a 、b 两 轴的轴心线在平面m 内的轴偏差值。 如果轴偏差和角偏差均为零，表明a 、b 轴的轴心线重合，千分表旋转一周中 的示值将始终为常数，千分表测头触点形成的轨迹应是半径为的圆，如图 1 4 ( a ) 所示。反之，如果存在轴偏差，则千分表示值在旋转过程中会发生变化； 如果存在角偏差，则千分表测头触点形成的轨迹将会是一个短轴为2 r b 的椭圆， 如图1 4 ( b ) 所示，且在旋转过程中千分表示值会不断发生变化。 ( a ) 对中良好( b ) 不对中 图1 4 对中情况 由此可见，千分表对中法最大的缺点是触点受力变化会引起千分表支架位移， - 4 第1 章绪论 影响对中精度，且安装、观测操作不便，工作效率低。 用标准的百分表或千分表测量技术进行对中，测量结果需要手工绘图并计算 校准误差，般用于以下设备中： ( 1 ) 对中精度要求相对较高的设备； ( 2 ) 非轴系的设备对中； ( 3 ) 水平轴系的设备对中。 1 3 2 激光对中法 激光对中仪是国外开发的一种先进、高效的设备对中仪器，近年来国内很多 厂家已采用激光对中仪对机械设备进行安装和检修。它的核心部件是小巧而安全 的半导体激光发射器( l d ) 和分辨率达到岬级别的半导体光电位置敏感探测器 ( p s d ) 。该测量设备具有以下优点： ( 1 ) 采用高精度的光电位置探测器，提高了对中精度及分辨率，减小误差。 ：参 ( 2 ) 激光准直性好，不存在下挠误差，测量距离可达l o m 以上。 ( 3 ) 提高工作效率。一般需要3 0 - - - 6 0 m i n 的工作时间。与传统方法相比， 筐 工作效率至少提高了5 6 倍。 ( 4 ) 测量值转换为电信号，经a d 采集后送入计算机，建立数学模型，数 据处理后可直接计算出角度、平行偏差、地脚处的移动量、垫片调整 静 量等。 ( 5 ) 对操作人员的技术水平要求降低，不需要经验丰富的技术人员便可以 完成测量工作。 1 4 激光对中仪发展的历程、现状 1 4 1 国外激光对中仪发展情况 2 0 世纪8 0 年代初世界上第一台激光对中仪( 由德国普鲁夫公司发明) 的到 来使得设备维护人员更快、更方便和更精确地对中机器成为了可能，做到了简单 安装，自动显示偏差，自动计算轴的移动量和移动角度，尤其是结合手持仪后， 十分方便快捷。目前国际上已有的激光对中仪，以德国的产品最为成熟。除此以 外还有：( 1 ) r o t a l i g n p r o 专业型激光对中仪( 升级版) ，( 2 ) n o v a l i g n s h a f t 激光 对中仪，( 3 ) e a s y - l a s e ra l i g n m e n tt o o l ，( 4 ) d 5 2 5 多功能型激光对中仪， 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 5 ) f i x t u r l a s e r s h a f t 激光对中仪，( 6 ) m a s t e r l i g nb a s i cl a s e rs h a f ta 1i g n m e n t 等等。这些产品中，有的仪器精度已经达到了l g m ，测量距离也已经达到l o m ， 完全满足一般使用的需要。 1 4 2 国内激光对中仪发展情况 我国最早开始于9 0 年代初期有企业高价从国外购进激光对中仪，现在该类仪 器的离岸价最低也需2 万多美元。近年来，国内的一些研究者也开始广泛关注激 光对中仪的设计和应用，如天津理工学院的龚正烈、刘昌文等盥3 在单光束l d p s d 激光对中测量仪及其数学模型一文中建立了单光束( l dl a s e rd i o d e ) 和敏探测 器p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 探测器的激光对中仪的数学模型等，给出 的四个非线性方程，解法复杂，只能在计算机中运行，无法进行实际测量。浙江大 学的鲍雨梅、华永利等1 在便携式对中仪的研制一文中详细阐明了激光对中 仪后续计算机自动处理电路的设计。而真正的结合激光器、探测器和单片机处理 系统的实用化的激光对中仪器，国内生产厂家少有。 1 5 课题意义及整体方案的设计 由于国外激光对中仪产品价格昂贵，在国内使用并不广泛，在一定程度上限制 了激光对中仪在国内的推广应用。目前国内仍广泛使用效率低下、精度不高的传 统百分表测量法，甚至有的企业由于缺乏相关的技术人员，根本没有采用任何科 学的方法来安装旋转机械。因此研制具有自主知识产权的国产激光对中仪，在国内 具有广泛的需求，一定有相当不错的市场前景。 本课题所设计的激光对中仪，基本结构主要包括：整体机械安装装置、信号 发射部分( 半导体激光发射器l d ) 、信号接收部分( 位敏传感器p s d ) 、信号处理 电路部分( 包括信号放大电路和a d 转换电路) 、角度测量部分、数据采集与控制 显示部分。 研制激光对中仪主要的工作是通过使用双光束l d p s d 以及相应的数据采集 系统，如图1 5 所示进行机械装置的设计与安装，建立数据处理 为核心部件，以运算放大电路为基础。通过将位敏传感器p s d 输 从动轴各个地脚的调整量，用手持仪显示轴的偏差，进而完成本 对中工作。按照对中仪提供的建议调整轴的位置达到对中的目的 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章激光对中仪的原理及机械系统结构的设计 2 1 激光对中仪的原理 2 1 1 原理 图2 1 所示为一对需要对中的设备示意图。在a 轴和b 轴上分别安装能同时 发送和接收激光束的测量器，并通过信号线与仪器主机连接。 图2 1 对中设备示意图 当a 、b 轴上的两只半导体激光发射器l d 发出的激光束落在对应的位敏探测 器p s d 的采集面上时，便形成一个很小的照射区域，仪器主机经过计算，可确定 出该照射区域的能量中心点。随着轴的转动，其光束的能量中心点也分别在对应 的p s d 采集面上移动。本课题所研制的激光对中仪可根据各位移量计算出被测设 备的轴向偏差和径向偏差。 2 1 2 数学模型的建立 时 图2 2 测量位置示意图 第2 章激光对中仪的原理及机械系统结构的设计 参考传统的测量法并结合该激光对中仪的结构特点，设计了两种测量方法， 即两点法和三点法。两点法即通过位敏传感器p s d 测量3 点和9 点位置的光斑信 号，而三点法则是在3 点、1 2 点和9 点位置进行测量h 1 。其中，3 点、9 点和1 2 点位置与日常所用的时钟表盘3 点、9 点和1 2 点分别相对应，如图2 2 所示。 x l 吐( j厂 、v 纠 火 x 2 图2 3 主动轴和从动轴的位置关系 主动轴与从动轴上p s d 旋转一周时，其敏感面上的光斑轨迹就会形成封闭的 曲线。若两轴仅有平行偏差，则轨迹是一个圆。如图2 3 所示，以主动轴的轴心 线为轴z 1 ，垂直向上方向为y l 轴，建立空间坐标系x l y l z l ，坐标原点为0 1 ，则 x l y l 平面与固定于z 1 轴上p s d 平面平行。同理建立x 2 y 2 2 2 平面，坐标原点为0 2 。 从动轴z 2 与x l y l 平面的交点为o l7 ，主动轴z 1 与x 2 y 2 平面的交点为0 27 。所 曼 以只要确定了0 17 、0 27 两点的坐标，便确定了两轴线的位置关系。完成对中测 量的关键，是要精确地测量出0 17 、0 2 两点的坐标。 1 两点法 图2 4l d p s d 位置示意图 沈阳理工大学硕士学位论文 如图2 4 所示，0 1 点、0 2 点分别为主从动轴上p s d 的中心点。若两中心轴 不对中，则l d 信号落在对应p s d 上的光斑并不与0 1 、0 2 重合璐3 。这里设p o 点为 从动轴上l d 信号落在主动轴上p s d 的光斑，而主动轴上l d 信号落在从动轴上p s d 的光斑记为p 07 。 图2 5l d p s d3 点位置示意图 实际测量过程中先初步调整装置，使得两l d 光斑可在任何位置都能打到对应 的p s d 上。首次测量将两轴同步调整至3 点位置，如图2 5 所示，测量出p s d 的 读数。此时在在x 1 7 0 1 y 17 、x 2 0 2 y 2 坐标下，主从动轴p s d 上光斑位置 分别为p 1 ( x l7 ，y 17 ) 、p 17 ( x 2 ，y 27 ) 。 然后，将两测量轴同步调整至9 点位置，如图2 6 所示。此时在x 1 o l y 1 、x 2 0 2 y 2 坐标下，主从动轴p s d 上光斑位置分别为p 2 ( x 2 ，y 2 ) 、 p 2 ( x 2 ”，y 2 ) 。 图2 6l d p s d9 点位置示意图 如图2 7 所示，设坐标系x l o l y l 下，p 1 点坐标为( x l ，y 1 ) ，p 2 点坐标为 第2 章激光对中仪的原理及机械系统结构的设计 ( x l7 ，y l7 ) 。主动轴上的p s d 到z 1 轴的高度为h 。 图2 7l d p s d 各点位置示意图 由于主动轴上的p s d 绕中心轴旋转1 8 0 。的同时，从动轴上的l d 、p s d 也绕 中心轴旋转了1 8 0 。，可见p 1 点与p 2 点并不关于y 轴对称。另外，由于x l o l y l 平面与x 2 0 2 y 2 平面之间的夹角很小，且p s d 正方形光敏区的边长也很小，一般只 有十几毫米，而两个p s d 间的距离也只有1 m 到几米，在两次测量激光光斑都能打 到p s d 光敏面上的情况下，可以认为两平面平行。所以可以认为点p 1 与点p 2 关 于0 1 点对称。在坐标系x l o l y l 下，各点坐标如下： p 1 ( x l ，y 1 ) ： x l = h 棚( 2 - 1 ) 【y l = 一x 1 p 2 ( x 2 ，y 2 ) 。 j 砣一”“( 2 - 2 2 2 ) ) 【y 2 = x 1 ” 将( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 联立可以得到点o l7 ( x l o ，y l o ) 坐标： 萼 沈阳理工大学硕士学位论文 枷= ( y 1 - y 1 ) f f 2 【y l o = x i - x i 2 同理可得点0 27 ( x 2 0 ，y 2 0 ) 的坐标为： j x 2 0 = ( r 2 - r 2 【y 2 0 = x 2 - x 2 2 2 = 占溃 y 1 焉 工1 l 代| _ 、 0 1 j 。1 ， 一x 1 l ? 一彳 之- 一一 图2 8 三点测量原理 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 如图2 8 所示，当主从动轴同时转动一周时，主动轴p s d 的几何中心原点c 在x y 平面上的运动轨迹便形成一个半径为l 的圆0 1 ：从动轴装置的激光发射器 发射的激光束的运动轨迹可看成一个近似圆柱的圆锥，此圆锥与x l y l 平面相交， 使得入射到p s d 敏感面上的激光点d 形成半径为r 的圆o l7 ( 由于有角度偏差的 影响，这里的圆0 1 应该是椭圆，但角度偏差一般都很小，以至于o l 近似地是 一个圆) 。圆心o l7 即是从动轴艺与x l y l 平面的交点。6 为p s d 输出的光点纵 坐标，大小为c d 。a 为两轴转过的角度嘲。 为了方便，0 1 点用极坐标表示为0 1 ( e ，1 3 ) ，其直角坐标即为：o l ( x l o ， y l o ) = o l ( 8 - c o s f l ，p s i n p ) 对么o l 7 o l d ，由余弦定理有： r 2 - e 2 + ( 三+ 盯) 2 2 p ( 三+ 仃) c o s ( p 一口) ( 2 5 ) 第2 章激光对中仪的原理及机械系统结构的设计 展开得： 仃= r 2 - l 2 + 2 e l c o s ( f l - a ) 芴- - e 2 - o r 2 + 2 e a r e o s ( , a 一- a ) ( 2 6 ) 上式可化为：盯：! ! ：二竺! 二【! 二三兰：竺! ! ! 竺二竺! ：! ：! 三竺：! ! ! ! 竺二竺2 2 l 观察上式右端( r 2 - l 2 ) 与( e 2 - 2 e l c o s ( f l - a ) + o 2 ) 两项。先看( 足2 一r ) 这 项，由于实际测量中r l ，故前边这一项趋向于0 。再看后一项 ( p 2 2 e l c o s ( , b - o t ) + t r 2 ) 。由于( b q ) 角较小，可视其近似为0 ，故c o s ( 一口) 1 ，则这项变为e 2 2 e r r + o r 2 = ( e 一莎) 2 ，又由于实际测量中e 仃，故后一项也 趋向于0 。略去这两个高阶无穷小后，该式可化为：盯= p c o s ( p - o ! ) 即： 有： o = x l o 。c o s c t + y l o s i n ( 2 8 ) 。 盯= 一x 2 0 c o s y 2 0 s i n a ( 2 一” 。 则当口= 时，口= 时，口= 时，有： 1 0 i = x l o c o s 口i + y l o s i n a l 0 2 = x l o c o s o ，2 + y l o s i i l 吃 ( 2 1 0 ) 【o - s = x l o c o s o f _ 3 + y l o s i n t t s 显然可以用最小二乘原理求解。令m = x l - o - , - ( x 1 0 c o s o ，+ y l o s i n o ，) ， 将m 看成与自变量和相对应的因变量，那么问题就可归结为求函数 m = m ( x l o ，y l o ) 在哪些点处取得最小值，则上述问题可以通过方程组： 沈阳理工大学硕士学位论文 即令： 解方程得： ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) e s i n 2a , e o , c o s a , - e s i n 口, c o s a , e o - , s i n a , z 10 = 且且- 上l - 旦r 31气、 e c o s 2a , s i n 2a j i s i n a fc o s a , i ，。1，。1，、。2 1， ( 2 1 3 ) 111t 、一 e c o s 2 qs i n 一s i i l 嘭c o s qc o s y l 0 = 旦3 生3 且万3 上l _ r 2 一 、 e c o s 2 呸s i n 2 嘭一ie s i n a jc o s a ji 同理可以得到( x 2 0 ，y 2 0 ) x 2 0 = 3333 e s m 2 呸q c o s a f _ t o s i n 呸c o s q 。s i n a f 盟! 生l = lj _ l 3 c o s 2 驴3 够一陲s i n a icosqi=1) 2 i = l = l e c o s 2q q 。s i n a f - z s i n a , c o s a , o , 。c o s a j j ，2 0 = 且_ 生 i 卫丁 ，、z e c o s 2a , s i n 2q le s i n a , c o s l ll ( 2 - 1 4 ) 为了计算方便，可分别取a 为0 。、9 0 。和1 8 0 。，即使激光对中仪可在3 点、1 2 点和9 点进行测量。将a 值带入方程( 2 - 1 4 ) 中，求得0 17 点和0 27 点 的坐标为： - 1 4 ( 2 - 1 5 ) 吵一 一 以一 以一 仉一m仉一m 坐苏塑砂 幽 型 嘭 产 s 2 瞄 岫 q ，d f p 仳 哆 一 砰 q 1 s 1 一 q v 3f，一j!一畦同 ，d 饥 妒 + 吣 哆 2 6 m ：苎： 口 “ 龇 ，闽，鲥 n u n u_1 忧 ， 憎 ， 一 一一2 q 一 吒 = = o 0 ， 第2 章激光对中仪的原理及机械系统结构的设计 ( 2 - 1 6 ) 3 从动轴前后脚挪动距离的计算 若使主动轴和从动轴的两轴心线共线，则需对从动轴进行调整。在实际测量 过程中，对从动轴的调整是通过调整与此轴直接相连的电机的地脚来完成的。当 地脚在水平方向和垂直方向上移动时，0 17 点和0 27 点的坐标将发生变化，通过 计算可求得使0 17 点和0 27 坐标为零时所对应的地脚调整量。 以水平方向上的对中为例，将从动轴z 2 投影到x l o l z l 平面上，如图2 9 所 示。其中a 为两p s d 间的距离，b 为从动轴上的p s d 到从动轴前脚的距离，c 为从 动轴两地脚间的距离。从动轴上