（机械制造及其自动化专业论文）同轴度测量仪的研制.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 同轴度测量仪的研制 摘要 大型机械零部件同轴度高精度测量是机械行业的共性技术难题，其技术关 键和难点在于建立长跨距的高精度测量基准线。已有的用激光准直仪器测同轴 度虽然能达到高精度的要求，但是价格比较昂贵。针对目前国内外市场尚缺少 可靠的高精度低价位测量轴轴同轴度仪器的问题，我 f 】选择了本课题的研究。 论文系统研究轴与轴的同轴度测量的国内外发展现状，综合现有的同轴度 测量方法和测量原理，在此基础上提出一种大型机械零部件同轴度的测量方案 ( 针对轴一轴同轴度) 。该方案以测量架作为两被测量轴的相对位移和相对角度 测量的公共基准，采用角位移传感器和直线位移传感器的配合使用的设计思路 研究开发的。此测量系统主要由测量架、数据采集系统与人机交互系统组成。 本文描述了同轴度测量仪器的设计开发过程，从总体方案设计到方案的具 体实现以及设 十中遇到的阔题发其解决办法等。重点对以f 方面进行了研究： 1 ) 测量架的结构设计； 2 ) 内部处理公式的推导； 3 ) 光栅式直线位移传感器的选择： 4 ) 磁敏式角位移传感器的选择； 5 ) 数据采集及处理的软硬件设计； 最后对本次课题研究存在的不足和将来系统的进一步扩展做了总结和展 荜。 关键词：同轴度测罱光橱式传感器磁敏传感器 青岛辩技大学研究生学位论义 t h es t u d y0 nc o a xl a llt yt e s ti n gi n s t r u n e n t a b s t r a c t i nm e c h a n i c a l i n d u s t r y , h i g hp r e c i s ec o a x i a l i t yt e s t o fl a r g em e c h a n i c a l c o m p o n e n t sw a sc o n s i d e r e da sac o m p l i c a t e dp r o b l e m b e c a u s ei tw a sv e r yd i 塌c u l t t of i n dad a t u ml i n ew i t hh i g hp r e c i s ei nl o n gd i s t a n c e a l t h o u g ht h eh i g hp r e c i s e d e m a n dc o u l db ea c h i e v e db yu s i n gl a s e r - c o l l i m a t e di n s t m m e n t s , t h es c o p e so f l a s e r - c o l l i m a t e di n s t r u m e n t sw e r en a r r o w e db yt h e i re x p e n s i v ec o s tt os o l v et h e s e p r o b l e m si nh i g hp r e c i s ec o a x i a l i t yt e s t ，t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sw a sa c q u i r e d i nt h i st h e s i s ，i n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cd e v e l o p m e n t si nc o a x i a l i t yt e s t i n gf o r t w oa x e si nl o n gd i s t a n c ew e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d f u r t h e r m o r e ，o nt h eb a s i s o fs t u d i e s , w h i c hw e r e m a i n l y i nm e a s u r e p r i n c i p l e s a n d e x i s t i n gc o a x i a l i t y i n s t r u m e n t s ，a l li n n o v a t i v em e t h o do fe o a x i a l i t yt e s tw a sp r o p o s e d t h em e a s u r i n gf r a m e w o r kw a su s e da sp u b l i ct e s t i n gd a t u ml i n eo fr e l a t i v e d i s p l a c e m e n ta n da n g l ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s o ra n dl i n e a rd i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e rw e r ea l s ou t i l i z e dt og i v eu s e f u li n f o r m a t i o n t h em e a s u r i n gs y s t e mw a s c o m p o s e d o ft e s t i n gf r a m e w o r k ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dm a n m a c h i n e i n t e r a c t i o nm o d u l e 1 1 1 em a i np r o d u c i n gp r o c e s s e so fc o a x i a l i t yt e s t i n gi n s t r u m e n t i n c l u d i n gt h e c o n c e p tp r o p o s i t i o n , i n s t r u m e n t a li m p l e m e n t ：p r o b l e m sa n dt h e i rs o l u t i o n s ，w e r e a m p l yd e s c r i b e d m a i ni n v e s t i g a t i o n so f t h i st h e s i sw ( r ea s 幻l l o w 1 1s t r u c t u r a ld e s i g nf o rt e s t i n gf r a m e w o r k 2 ) t h e o r e t i c a la n a l y s i so f m e a s u r i n gp r i n c i p l e s 3 ) s e l e c t i o na n da p p l i c a t i o no f g a t i n gl i n e a rd i s p l a c e m e ms e n s o r s 4 ) s e l e c t i o na n da p p l i c a t i o no f a n g u l a rs e n s o r s 5 1s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f d a t aa e q u i s i t i o nm o d u l e a tt h ee n do f t h et h e s i s , d r a w b a c k sa n dp e r s p e c t i v ew o r k sf o rt h i sr e s e a r c hw e r e a l s os u m m a r i z e d k e yw o r d s ：c o a x i a l i t yt e s t i n g ，g r a 崦s c i i s o r s ，m a g n e t os e n s i t i v es e n s o r s 青岛科技大学研究生学位论文 第一章前言 1 1 研究背景及意义 我国的民族工业一直处于比较落后的地位，特别是大型机电设备，如大型 发电设备、重型机械、船舶、航空航天设备等，也是制约我国经济发展的重要 因素：而测量技术和方法又是制约大型几点设备发展的一个重要因素。因此， 测量技术和方法的研究是振兴民族工业的必由之路。 在对大型机械零部件的研究过程中发现同轴度高精度测量是机械行业的共 性技术难题，影响了大型设备的制造、安装精度，从而影响了其工作状态和使 用寿命，致使我国的大型机械在国际竞争中处于劣势。 目前，国内外市场尚缺少可靠的高精度测量仪器，其技术关键和难点在于 建立长跨距的测量基准线。传统的方法，包括“拉钢丝法”，精度低。用三坐 标测量机测量同轴度误差精度高，速度也很快，但是对于轴孔直径较大、轴孔 间距离较远的工件，三座标机测量很不方便，或者根本不能测量。采用测微准 直望远镜，即以仪器的光轴作为基准线的方法，当测量距离较远时，成象不清 晰，耳视判读的主观误差大。且对不同测距需连续调焦，调焦会引起仪器光轴 即准直基准的轻微变化，其原因是调焦镜前后运动的直线性误差，以及为保证 调焦运动所需的间隙会造成透镜具有不同的中心偏离。另外，测量过程中手动 调焦对仪器的触动也会使光轴随机变动，这些原因使仪器的精度限制在1 0 。5 量 级。以激光束作为准直线，激光束的方向漂移会影响测量精度，而且空气扰动 的影响比较严重，一般h e n e 激光器只能实现低精度准直( 相对精度1 0 1 以内) ， 正是这些原因大大限制了激光束作为基准线的应用。为提高精度，人们不得不 提出一些稳定光束的措旌。国外未见有用激光束作为基准线的大孔同轴度测量 仪器的报道。国内只有清华大学和北京机械工业学院两个单位进行过大尺寸机 械零部件同轴度测量的研究 九十年代初，清华大学对大尺寸工件孔一孔同轴度测量技术进行研究时“1 ， 采用以激光作为光源的光纤准直系统，激光束经聚焦透镜耦合入单模光纤，再 经过准直物镜产生准直光束投射到安装在定心靶中的四象限探测器。测量时认 为被测截面的中心即片簧拉伸自动定心靶的中心，以自动定心靶中心相对于基 准线的变动量作为各被测截面中心相对于基准线的坐标变动量。九十年代中后 同轴度测量仪的研制 期，北京机械工业学院对大尺寸轴同轴度测量技术进行研究时0 1 ，采用以热稳频 激光器作为光源，以c c d 探测器作为接收装置的激光准直系统。测量系统采用三 点法消除机床主轴回转误差引入的测量误差。 大多测同轴度的各种方法都适于应用孔孔的f 司轴度测量，对于轴轴的 同轴度测量方法都需要附件进行转换，而且只能应用于小型轴类零件或者传动 类轴类零件的同轴度测量。目前对于测量时不能传动的轴系尚未找到理想的测 量方法，现有的圃度测量方法既不便于操作，精度也不理想。 “大型轴轴同轴度测量方法研究”正是在这一研究背景下进行立项研究， 研究采用多传感器组合采集数据的方法来测景大型两独立的同轴度，既可以用 于转动轴的同轴度测量也可以用于非转动轴的同轴度测量。 课题的研究对提高大型机械的制造与安装精度、提高产品质量、改善重型 设备的工作效率、延长重型设备的工作寿命将起重要作用。其关键技术( 即多种 传感器组合应用技术) 的研究，更是在广泛的应用领域有着实际和理论意义。 1 2 准直技术发展概述d 4 1 对准直技术的要求可以追溯到很久以前，严格地沿直线安装和摆放物体一 赢以来都是困扰人们的一个工程技术难题。到近现代，建筑施工、水库大坝的 监测、高层建筑电梯的安装、航空工业中飞机的装配以及高能物理实验中的直 线加速器的安装等等都有准直要求。这些准直测量问题要求精度高，能长期稳 定地工作，而且能同时进行垂直于轴线的x ，y 两个方向的准直测量。 一个成功的精密准直装置，技术上必须妥善解决蛆下问题”1 ： 1 提供一条较理想的空阿直线基准，且相对于被测工件的位置稳定不变； 2 在一定范围内精确地测量相对于这条基准线的偏差； 3 合理地采用测量以上偏差的精密对准方式； 4 测量基准和评定基准尽可能统一。 经过多年的发展，人们根据不同实际应用的要求研究出了许多准直方法， 这些准直方法大致可分为机械准直方法、传统光学准直方法和激光准直技术， 各种方法的准直原理及优缺点总结如下： 1 2 1 机械准直方法 机械准直方法是建立在机械实物的基础( 如钢丝) 上。天津大学的精密测试 2 青岛科技大学研究生学位论文 技术及仪器国家重点实验室曾自行设计研制出了以电容测微仪进行非接触测量 的钢丝电容法，用以对大型机械工件内孔的同心度进行测量。其组成原理如图 卜l 所示：测量基准主要由标准钢丝和配重组成，设钢丝直径为d ，则校正钢丝直 线度所需的配重为：c = 8 0 d 2 。由于标准钢丝有一定的重量，水平拉直钢丝将有一 定的挠度( 见图卜2 ) ，不同位置的挠度可按式卜1 计算： 1 二夕么( ( ， 啦 j盛 鞫 j 喉楼争 。 谖x 多z 似7 r ，23it 5 i 钆 7 j i 、钢丝调整装置2 、被测孔3 、标准捡具4 ，标准钢丝 5 、电容测头6 、电感测头及测量架7 、配重 图卜1 钢丝电容法构成示意图 f i g 1 - ls a u c t t m e o f t h e m e a s u r e w i t h s t e e l w i r ea n d c a p a c i t o r w = 3 8 3 ( l - x ) x( 1 一1 ) 式中 卜挠度值( u r n ) i - 铜丝支点间的距离( m ) x - 嘲丝上某点到支点的距离( m ) 。 钢丝电容法可用于测量孔一孔同轴度，但是准直精度不高。纯机械机构在 测量现场的架设会有一定的难度，且测量环境中的振动会造成相当的干扰，有 形的准直线也会给测量带来诸多不方便 图卜2 钢丝挠度示意图 f i b 1 - 2 t h e f l e x i b i l i t y o f s t e e l w i r e 3 同轴度测量仪的研制 1 2 2 光学准直方法陆 现代光学准直方法大致可概括成沿四条线索发展：光轴准直法、光束准直 法、光场分布法和激光干涉准直法。一般地，光轴准直法使用的光源是普通光 源，也被称为传统光学准直方法，它没有激光固有的漂移，后三类准直方法一 般使用激光( 即相干光源) 作为光源，通常被归入激光准直技术。 传统光学准直方法分= 类，一类是包括使用准直仪、正弦尺和反射镜组合 测量的跨距法，它实质上是通过离散点的情况反映整个被测件的不直度趋势， 而且每一位置的测量误差均会影响以后所有位置的测试结果。 另一类是使用带测微机械的内调焦望远镜，通过对空问不同的点，实现连 续调焦进行准直。其精度的主要限制是：调焦会引起仪器光束即准直基准的轻微 变化，这是调焦镜前后运动的直线性误差，以及为保证调焦运动所需的间隙促 使透镜具有不同的中心偏离造成的。同时测量过程中，调焦需要用手不断触摸 仪器也会使光束随机变动。这两类方法的准直精度一般限制在1 0 “量级。 这两类传统光学准直方法的准直基准均是仪器的光轴，都采用光学目视对 准方式，偏差的攒i 量也是纯光学机械的办法。有几种方案可以用来改进传统 光学准直方法的缺点，提高准直精度，如a x i c o n 设计、无焦系统等。其本质是 改善或消除因调焦带来的光束变化。 i 2 2 1a x i c o n 设计 a x i c o n 设计是采用一面为平面，另一面为锥面的透镜代替调焦望远镜中的 物镜和调焦镜，并用单色光源代替的白光照明。这种设计可以将物空间光轴上 不同距离的点发出的不同带高的光束都会聚到象空间的某一点。因此用它代替 调焦望远镜不需调焦，光轴也不会因调焦而变动。 1 2 2 2 无焦系统”3 如图卜3 所示，焦距为f 的对相同透镜相距2 f ，在其共同焦点处放置一焦 距为f 的第三块透镜，图中放置的是一负透镜的情况。入射光线平行于轴线，出 射光将无偏离地通过右边的透镜射出。因此该系统是无焦的，成象放大倍率都 为一1 ，象的大小不受物距的影响，便于观测。 4 青岛科技大学研究生学位论文 l i y ju 二，0 巾) 卞 ? ， hj 图卜3 无焦系统 f i 晷1 - 3t h e s y s t e m o f n o f o c u s 图中，a ，d 分别为物点和象点到物方和象方焦点的距离，c 相当于是第二个正透 镜的物距，b 相当于是第一个正透镜的象距，f 为正透镜的焦距，应用牛顿公式， 对外侧的两透镜有： a b = c d = f 2( 1 2 ) 对中间的透镜有：1 b + l c = 一1 f ，因此8 + d = f 2 f 故物象之间的距离为： s = ( 4 f f 2 ) f( 卜3 ) 对所有成象对而言，a ，d 和s 不变，因此在物象之问的光轴上移动透镜系统不影 响成象的大小和成象清晰度。 理论上，无焦系统克服了激光束漂移的特点，准直基准也不会象一般调焦 望远镜那样随调焦变化，能达到很高的精度。但一方面，组合透镜很难加工成 理想成象元件，象差问题较为严重，另一方面因调焦触动仪器整体，可能产生 的光轴随机变动难以绝对避免，这都影响了无焦系统的适应性。 另一种使光轴不变动的设计是采用共焦凹面反射镜设计。这种设计思想利 用的是一个凹面反射镜的曲率中心正好是另一个凹面反射镜顶点的双凹面反射 镜系统的特有性质：离轴物点在它离轴反方向的对称位置成象。进行准直测量 时，只要调节并固定好双反射镜，测量时其光轴就不会变化。 1 2 3 激光准直技术嘲剐9 1 1 2 3 1 概述 激光具有几个非常突出的优点：相干性好、亮度高以及方向性好。激光的这 些优点非常适合于各种准直系统。利用激光束方向性好的优点设计出来的激光 准直仪，克服了人眼目视瞄准分辨率有限的局限性，主观误差小。 l _ 2 3 2 影响激光准直精度的主要因索及其改进办法 - 5 商轴度测量仪的研制 尽管激光束的方向性比普通光源发出盼光束好 导多，但其准直精度仍受 些因索的影响，影响激光准直技术准直精度因素主要有以下几含方面： 1 激光本身的漂移啪嘲1 0 3 “3 “2 1 激光本身漂移存在的主要原因是激光器点亮后，由于激光器放电管本身存 在温度梯度、放电管内和放电管外存在不稳定的温度梯度以及激光管材料的不 均匀性等因素造成的激光器谐振腔两反射镜相对位置的变化，特别是谐振腔两 反射镜之间的夹角的变化会直接给激光器输出的激光束带来角漂和平漂。 抑制激光束漂移可以从激光器本身着手也可发从激光器外部着手。从激光 器本身着手可以选择低膨胀系数材料谐振腔、引入反馈控制、采用热稳频激光 器等。从激光器外部着手可以找出漂移规律进行补偿，也可以将激光束经单模 光纤耦合后输出以将激光器本身的漂移进行抑制。从激光器外部着手抑制激光 光束漂移的方法将在后面讨论。 2 空气中气流的随机扰动脚n 3 3 激光在光源和接收器之间传播时，大气气流的随机扰动会造成激光束的随 机抖动，准直距离x 与激光光线位置变化的标准差。之间有如下经验公式“”： a = k x l 5( 卜4 ) 减小大气随机扰动对激光光束的影响有三个办法：其一，加屏蔽罩；其二， 将探测信号进行平均化处理；其三，顺着光束出射方向吹风，对接收探测信号 后进行平_ 均，即用强干扰调制激光束后低通滤波解调。 3 大气中折射率的不均匀性m m 5 1 激光光线在大气中传播时，由于大气中温度梯度等因素的影响造成大气中 折射率的变化，使得激光光线不是以直线方式进行传播，造成激光束的弯曲。 据文献 1 5 3 的作者介绍，温度引起的光束弯曲在弧矢面内曲率半径为： 匀r 盯= 兰1 0 一，t 为温度分布，y 为纵向坐标，o 为曲率半径。由此引起的横向位 谚 移为： d = d 2 2( 卜5 ) 式中0 曲率半径 l 光束的传播距离 为了测量大气温度梯度来进行校正测量，可根据测得的室内温度边界值建 立偏微分方程。仪考虑温度梯度的影响，并设温度梯度仅在垂直方向上存在， 则光漂量h 为： 青岛科技大学研究生学位论文 忙篆) 等警 ( - 书) 式中 i ，一光束传播距离 n 大气折射率 n o 、p o 、t o - 一标准状态下大气折射率、压力和温度 n 、p 、t 空气中某点的折射率、压力和温度 修正方法有两种：1 、测量大气的各种参数后，用计算机进行数值分析和计 算，对弯曲a 进行修正；2 、或在光路中加多个探测点并予以补偿。 4 引力场的影响“” 引力场造成的时空弯曲对准直光束会产生轻微影响。从广义相对论 1 6 出 发对有限范围进行演算的结果见式( 1 7 ) ： 曲一赢垤饥面矛矸一西矛鬲r f 心 口2 - 4 c g 2 m 尺，。 固 口3 4 c g ：m r - + 纛4 舡“r )c 2r 一 7 0 - 7 ) 式中卜引力常数 卜天体质量 c 一光速 卜碰撞系数 卜准直距离 0 产生的光线偏折角度 当光束位于地球表面，准直距离为2 0 米时，太阳、地球和月亮对准直光束 的直接影响分别为：1 x 1 0 一、2 x 1 0 一、8 1 0 “，因此引力场的影响可以忽略不 计。 5 机械结构的不稳定性 机械结构的不稳定性和连接部件之间的蠕变都会造成激光漂移。提高光源 部分的机械结构刚度可减小这一因素的影响。 7 等 同轴度测量仪的研制 1 2 3 3 几类激光准直方法简述【5 8 1 三点法们1 7 1 图卜4 三点法激光准直 f i g 1 - 4l a s e rc o n m m gs ”曲mw i t ht h r e c - p o i mm e t b o d 三点法将- - + 孔光栏里于激光束前( 见图l _ 4 ) 经透镜( 远距离时用菲涅耳透 镜) 成像，小孔、透镜中心与像点理论上必在一条直线上。以此直线作为基准， 小孔足够小时可以认为是点光源，透镜的小量倾斜只对像点的形状略有影响而 对像点的能量中心无影响。由于小孔固定，光束的漂移对小孔点源没有影响， 有效解决了激光束的漂移问题，但接收点偏离像点时将有原理误差。 2 光纤准直法。1 州嘲m m l 。”“1 如图卜5 所示，激光器发出的光束经过耦合镜耦合至单模光纤中，将光纤的 出射端调整到准直透镜的焦点时出射光为近似平行的准直光束。光纤的出射端 相当于二次光源，输出激光光束的稳定性取决于光纤出射点的空间稳定性。光 纤入射点相对位置的变化只影响耦合效率，对出射端没有影响。因此经光纤传 播能有效地抑制激光束的漂移。 激光嚣囊涨簟蝴准直物曩撼，b 片接蟪 图1 - 5 光纤准直法 f 培1 - 5o 幽c a lf i b e rc o l l i m a 衄m c , l l t e 3 双光束激光准直。” 8 青岛科技大学研究生学位论文 图1 6 双光束激光准直 f i g 1 - 6l a s e rc , o l l i m a 衄w i t hd o u b l eb e a m 如图1 6 所示，双光束激光准直采用一个补偿器( 即置于望远系统之后的分光元 件) 补偿激光柬的漂移。出射光为两柬能量相等，在空阃完全对称的光束。当光 束发生角漂移时，两出射光发生完全对称的变化，其合成能量中心不变，以此 合成能量中心作为基准，减少了光束漂移的影响。这种方法没有有的效地解决 双光束干涉的问题，且只能在一个方向上进行补偿。 4 光场分布基准法呲 光场分布基准法主要利用光的衍射、干涉、偏振等特性，改变光斑的能量 分布形式，以便构成稳定的基准线并提高灵敏度。典型方法有零级亮纹中心法、 环状干涉中心法、非对称法、旋光准直法等。以杨氏双缝干涉的零级亮纹中心 构成准直基准只能实现一维准直。 圆光栅衍射准直法”“嘲”1 如图卜7 所示，用圆光栅衍射时的极大零级衍射连线构成的基准能提供二维 准直。图中圆光栅g 可以是振幅光栅也可以是位相光栅。轴上点光源s 向圆光栅g 发射出球面波时，从s 到光栅g 的中心构成一条空间直线，沿这条直线的相空间， 光场均有衍射的极大值即零级衍射。 非对称法“ 图卜7 因光褥衍射准直法 f i g 1 - 7c o l l i m a t i n g 诵t hd r c i n a lg r a t i n gd i f f r a c t i o n 9 同轴度测量仪的研制 图1 8 是非对称法的示意图。其中s 是光源，p 是位相板，它使相邻部分通过 的光位相相差。当位相板分成两部分时，经过位相板后的衍射图形为中间一 条暗线，可进行一维准直。当位相板分成四部分时，经过位相板的后的衍射图 形为中间一十字暗线，可进行二维准直。 i a r 口 ra od l f 弋 七 o o 一 一 t 一 囝卜8 菲对称法 f i 舀1 - 8u n s y m m e t r i c a ln k a s m 为了实现高精度准直，在位相板后放置一狭缝( 对一维) 或方孔( 对二维) p a ， 当光栏中心与一次衍射零强度中心重合时，队后的二次衍射图形为对称图形， 否则不对称。分别探测四个强度最大值及其偏差进行准直。 由于干涉和衍射都发生在位相板后，因此对光束的漂移不敏感。用透镜来 减小暗线宽度还可提高准直精度。 旋光准直法“4 3 啪瑚3 图1 9 旋光准直议 f i g a 一9r e v o l v el a s e rc ( 1 i 删gi n s l n n n e n t 旋光即偏振光通过某些介质时，光矢量发生旋转的现象，其旋转角度与光 通过的介质的长度成正比。旋光准直法( 见图1 - 9 ) 的关键元件是法拉弟磁光调制 器的旋光元件。法拉弟元件利用了法拉弟效应，在其上加交变电压进行磁光调 制。当位置a 处与b 处光矢量垂寅时，探测器将检测到倍频信号。 与被测物体相连的是两石英光楔构成的平板，两光楔分别为左、右旋，导 l o 青岛科技大学研究生学位论文 致其y 方向的移动产生光矢盆的偏转，旋转f 与移动皿成正比。由于以检测偏振 角的变化代替检测线位移，光楔角度又很小，因此可以获得很高的灵敏度。 采用双路单端旋光准直法“”可以克服激光角漂对旋光的稳定位置的影响， 采用双端旋光准直法可以克服气流的干扰。 5 双频激光准直法 清华大学将双频激光准直法引入测量时m 3 ，使用了两个渥拉斯顿棱镜。图 1 - 1 0 中，l 为双频激光头，w l 与w 2 为渥拉斯顿棱镜，d 1 与d 2 为光电探测器，r 为 直角反射镜，p 为检偏器。l 发出的激光束具有两个频率( f ，f d ，这两个频率 的光的偏振方向相互垂直，渥拉斯顿棱镜w 1 将激光束分开为两路有很着很小夹 角的线偏振光，经过渥拉斯顿梭镜w 2 后这两束光变得相互平行。经过直角反射 镜反射后，光束原路返回，依次经过w 2 ，w l 后两路光重新汇成一束，分束镜将 返回的光束反射至检偏器与光电探测器d 2 产生测量信号。参考信号由d 1 产生。 参考信号与测量信号频率相同，但其相位关系与w l 或w 2 的平动位移成正比。当 w 2 固定，w l 沿导轨方向移动时，即可测得该导轨的直线度误差。渥拉斯顿棱镜 的楔角可按不同的灵敏度要求在一定的范围内选择。 图1 - 1 0 双频激光准直系统 f i g 1 l o d o u b l e f r e q u e y l a s e r c o l l i m a t i n gs y s t e m 6 激光干涉仪准直法。” 美国h e w l e t t - p a c k a r d 公司7 0 年代研制成功的双频激光干涉仪可用于准直 测量( 见图卜1 1 ) 。双频激光干涉仪主要是用双频激光器作为光源，用渥拉斯顿 棱镜作为传感元件，当其偏离光轴时，两不同频率的光产生多普勒效应，从而 产生拍频信号，对其进行检测可得出偏差值。这种方法的基准面为双面反射镜 的角平分线，提高双面反射镜的平面度就能提高基准的稳定性，大气扰乱动对 同轴度测量坟的研制 其影响也就较小。这种方法的分辨率高达o 。2 a m ，但这种方法只能用于一维准直。 图卜1 1 双频激光干涉仪准直法 f i g 1 - 11d o u b o 矗吼聊c yl a s 盯抽扭d 矗a ) 蚰j 丑柏痂坞s ) , a o m 用线光栅代替渥拉斯顿棱镜作为传感器，用单模稳频的单频激光器作为光源时， 由于其精度不取决于光束相对于线光栅的稳定性，也能取得很好的准直精度。 综上所述，机械准直方法的精度偏低，且长距离架设及操作不方便。传统 光学准直方法一方面在长距离时成象质量偏低，调焦不方便，另一方面，传统 光学准直方法大都用到组合透镜或反射镜，这不仅增加了不稳定因素，也增加 了成本，而且附件众多，操作不方便。各种激光准直方法各有优缺点：三点法当 接收点偏离象点时会有原理误差，单模光纤准直法有耦合效率的问题；双光束 法只能在一个方向上进行补偿且没有解决双光束的干涉和衍射问题：干涉衍射 准直法对位相板及光斑质量要求过高，长距离准直时接收屏也过大；旋光准直 法同一时刻只能进行个方向上的准直测量；双频激光干涉仪准直法也只能进 行一个方向上的准直测量，而且光学元件众多，价格昂贵。 1 - 3 论文要解决的主要问题 综合前面所述可以看出，目前大型机械零部件同轴度误差测量仍是国内外 机械行业的共性技术难题。其关键技术难题是建立长距离、高精度的测量基准 线。本论文的主要目标是研制一套适用于大型机械零部件同轴度测量，主要是 轴轴同轴度测量的高精度测量系统。测量系统的技术性能指标要求为： 测量范围：轴径中1 0 0 ( p 2 0 0 m ，跨距5 0 0 8 0 0 m l 青岛科技大学研究生学位论文 测量精度：0 0 5 聊 要具体实现这一测量方案，本论文须解决以下问题： l 、确定测量原理和总体方案。这一问题将在第二章解决。 2 、整个测量系统的设计，包各部件的机械结构设计、内部公式推导。这些内容 将在第三章详述。 3 、光栅传感器测位移量部分的设计。这些内容将在第四章详述。 4 、磁敏角度传感器测转角部分的设计。这些内容将在第五章详述。 5 、信号的采集与处理部分。这些内容将在第六章详述。 1 3 ， 同轴度测量仅的研制 第二章测量原理 2 1 同轴度的定义口3 圳 同轴度误差是定位误差的一种。定位误差是指被测实际要素对一具有确定 位置的理想要素的交动量，理想要素的位置由基准和理论正确尺寸确定。同轴 度的理论正确尺寸为零，即被测实际轴线的理想轴线与基准轴线同轴。所以， 同轴度误差就是被测实际轴线对基准轴线的变动量。 同轴度误差由以基准轴线为轴线包容被测实际轴线的最小圆柱面内的区域 来评定。如图2 一l 所示，与基准轴线同轴的包容圆柱面至少应有一点与被测实际 轴线接触，同轴度误差值即为该包容圆柱面的直径s f ，它等于被测实际轴线上 的接触点至基准轴线的距离的两倍。 【吧 谴 、e ! = - r - 壁 筑 基准轴线 ( 理想轴线与它同轴) 图2 - 1 同轴度误差定义示意图 2 2 轴一轴同轴度的测量原理啪1 圆柱体截面的圆心构成圆柱轴线，当轴的圆柱度符合公差要求时，可以认 为轴线是一条直线，并且真正的轴线由外圆来体现的，所以我们可以通过测量 两轴外圆来确定轴线的同轴度。 图2 2 所示，用模拟法对轴轴进行同轴度测量。调整被测零件使其基准轴 线与平板平行，在被测轴的a ，b 两点进行测量，并求出该两点分别与高度( l + d z 2 ) 的差值k 和如然后把被测零件翻转9 0 度，按上诉方法测得k 、k 则a 点处的同轴 青岛科技大学研究生学位论文 度误差为： = 2 厩 式中 ( 2 - 1 ) f f 一 点在y o z 平面内的高度与高度( l + d z 2 ) 的差值： f ， 点在x o z 平面内的高度与高度( l + d 。2 ) 的差值。 b 点处的同轴度误差为： r ? 一 厶= 2 篮+ 鬈 ( 2 - 2 ) 式中 厶一b 点在y o z 平面内的高度与高度( l + d 。2 ) 的差值； “x - b 点在x o z 平面内的高度与高度( l + d j 2 ) 的差值。 取其中较大值为被测轴的同轴度误差。如果测点不能取在轴端处，则同轴 度误差可按比例折算。 围2 - 2 同轴度误差测量方法示意图 飚2 - 2t h em e a s u r eo f c o a x i a l i i yt e ! 疏喀 由以上分析可以看出，按照定义，同轴度误差的评定需要以基准轴线为轴 线包容被测实际轴线。测量大型机械零件轴轴同轴度时，由于实际测量往往 是要解决工件安装定位过程中的两轴线不同轴的问题，此时两被测轴均为被测 对象，测量过程中可以给它们找公共轴线作为测量基准。 1 5 同轴度测量仪的研制 2 3 总体方案初步设计 通过参考阅读有关文献，结合同轴度的测量原理以及传感器的工作原理， 为实现设计要求，本研究采用两轴均以测量架为公共基准的方法，角度传感器 i ，口膊r 一 模拟电压信乒 u 州职l r t 8 9 c 5 2 p a ，一 、叫 8 1 5 5 光 积 整 i2 棚差形 # 怙 分、 司 司 p b 感放鲤 避遂= o 箍大 分 计计 器 势 数数 向 器器 测得两轴在三维空间的相对公共基准的角度，以直线位移传感器测得两轴在测 量时的相对公共基准的空问位移长度，并把测得的数据传给处理器，并按照一 定的算法评定被测工件的同轴度误差。同轴度测量仪器的总体方案如图2 - 3 所 刁： 图2 - 3 同轴度测量仪器畿蒿体方案设计 f i g 2 - 3t o t a ls c h e m ed e s i g no f c o a x i a l i t yt e s t i n gi n s t n m n t 角度传感器将测得的模拟电压信号经a d 转换后输入单片机；光栅传感器 把被测位移量转变为电信号，经前嚣放大和电路处理后，送入8 9 c 5 2 单片机； 根据被测轴的直径和测量要求输入轴径及测量长度，一起经过单片机综合运算 处理后输出，并通过l e d 显示。 1 6 青岛科技大学研究牛学位论文 第三章测量系统总体设计 3 1 测量系统构成 进行大型机械零部件的轴轴同轴度的测量，首先要建立长距离、高精度 的准直系统以提供测量基准线。被铡件每个被测截面圆心相对于基准线的坐标 可采用三维空阀内三个角度及截面上的两个位移来确定。所以本论文采用建立 一个直角机架作为两轴测量时的公共基准轴线，采用三个角度传感器、两个直 线位移传感器来测量确定两轴相对公共基准轴线的空间位置，然后通过数据采 集系统、数据处理系统，最后通过显示器输出。 如图3 一l 所示，测量系统包括三个部分：测量架、数据采集系统和人机交互 系统。下面对测量结构进行进一步描述： 1 直角形机架1 0 的两直角边各安装一个支撑脚，可以使该仪器同时适用于 横轴和立轴的测量。 2 ，机架上还安装有人机交互模块9 ，其功能是可以输入测量长度l 以及两轴 的直径：轴l 的直径为d 。、轴2 的直径为d ：，同时显示两轴的同轴度误差 数值。 3 在机架装有人机交互模块的直角边上安装有直角滑尺8 ，通过伸长直角 滑尺可以测量不同距离的两轴的同轴度。 4 如图直角滑尺的另一直角边通过角位移传感器7 与直滑尺5 连接，当滑尺 5 和滑尺8 有一个相对转动时，角位移传感器7 就能检测输出一个角度为 8 。 5 直滑尺5 与直线位移传感器6 配合使用，直线位移传感器装在滑尺上，当 滑尺伸长时，传感器检测输出一个长度为x 。 6 直滑尺5 的另一边通过角位移传感器4 与v 形接触块3 连接，当v 形接触块 和滑尺有一个相对转动时，角位移传感器4 检测输出一个角度为q 。 1 7 哥轴度测量仪的研制 1 、2 测量轴3 、1 4 接触块5 、8 、1 2 滑尺 6 、1 1 直线位移传感器4 、7 、l 卜角度传感器9 人机交互模块 l 卜主体机架 图3 - 1同轴度测量系统结构示意图 f i 卫3 1s c h e m a t i co f c o a x i a l i t vt e s f i i n s t r m e m ss t r u c t u r e 7 直角机架的另一直角边与直滑尺1 2 连接，直滑尺1 2 与壹线位移传感器l l 配合使用，同样是传感器装在滑尺上，当滑尺伸长时，直线位移传感器 1l 检测输出一个长度为x 。 8 直滑尺1 2 另一边通过角位移传感器1 3 与v 形接触块1 4 连接，当v 形接触块 和滑尺有一个相对转动时，角位移传感器1 3 检灏l 输出一个角度为y 。 3 2 误差分配口6 1 设计的同轴度测量系统的测量精度要到立项技术指标要求即：测量范围： 青岛科技大学研究生学位论文 轴径中1 0 0中2 0 0 咖，跨距5 0 0 8 0 0 m m ，测量精度：0 0 5 m m 。系统设计时就须 进行误差分配，即对测量系统的各组成部分分别提出精度指标要求。测量架和 数据采集系统的测量误差彼此之间并无直接联系，因此各部分的误差可按平方 和开根号合成，即：占= 砰其中。6 为合成误差，6i 为系统各组成部分的 测量误差。根据测量系统的构成以及系统各组成部分的技术难度，对测量系统 各组成部分初步提出如下要求： 1 要求角度传感器分辨率高于0 ，0 0 1 。： 2 要求位移传感器分辨率0 0 0 5 m m ，线形度达n 0 0 5 ，重复精度0 0 1 3 m m 。 3 3 内部计算公式推导 如图3 - 2 所示，根据实测两轴输入测量长度l ，轴1 的直径d ，轴2 的直径d 。， 根据距离接触点l 2 的原理定点a 、b 。以轴2 上的a 、b 两点作为测量点。假设轴l 和轴2 完全同轴的情况为理想状态。 蜀3 q 三堆坐标内a 、y 角的测量原理示毒图 f i g 3 - 2s c h v m a f i co f 、yi nt h r - d i m v n s i o n0 3 0 r d j l l a t e $ 在三维立体坐标x y z 内，根据同轴度测量原理，测完x o y 截面内的f 。及f 垢， 需要将零件翻转9 0 度后测相互垂直的另一截面y o z 内的f ：及如，但是本文采用两 轴以公共轴线为基准，用三个角位移传感器同时测得三维空间内两轴分别相对 公共轴线的三个偏差角，可以达到只用测量一次即可同时得出k 、f b i 及k 、如， 1 9 同轴度测量仪的研制 而无需换角度测量。 设接触块以角度位移传感器为轴心，旋转臂长为r 。角度传感器4 、接触块 3 只可在平面x o y 内及y o z 平面内转动，不可在x o z 平面内转动，而接触块1 4 只可在平面x o z 内转动。如图3 - 2 所示，在x o y 平面内，轴2 以测量架作为基 准轴线，通过角度传感器4 测得x o y 平面内轴2 相对于基准的偏差角为a 。因 为在平面x o y 内接触块1 4 无法转动，也就是说在平面x o y 内轴1 平行于测量架。 所以a 也是轴2 相对轴l 在平面x o y 内的偏差角。 同理，在x o z 平面内，轴l 以测量架作为基准轴线，通过角度传感器1 3 测 得x o z 平面内轴1 相对于测量架的偏差角为y 。在平面x o z 内，接触块3 和滑 尺5 均没有转动，所以y 也是轴1 相对于轴2 的偏差角。则在x o y 平面内： h 点与理想状态时的距离差值为： 厂。：| ( x ：+ 冠c o s 口+ ! 多一( x ，+ 霄c 。s ，+ d l + 导s i n 口 ( 3 1 ) o厶二上 i b 点与理想状态时的距离差值为： 如：k + 胄c o s a + 争一( x l + 矗c o s ，+ 知一鲁如口 ( 3 - 2 ) i - i 式( 3 一1 ) ( 3 2 ) 中 i 濑4 量长度； d ，轴1 的直径； d ：轴2 的直径； r 一接触块的旋转臂长； a 轴2 相对轴1 在x o y 平面内的偏差角； y 轴1 相对轴2 在x o z 平面内的偏差角5 x ，滑尺1 2 的伸长长度； x ：_ 骨尺5 的伸长长度。 同理，如图3 3 所示，在y o z 平面内，滑尺5 以测量架作为基准轴线，通过角 度传感器7 测得y o z 平面内滑尺5 相对于基准的偏差角为1 3 。因为在平面y o z 内接 触块3 与滑尺同时转动，所以可以说在平面y o z 内轴2 相对于测量架的偏差角为 b 。又因为平面y o z 内接触块1 4 无法转动，即轴l 平行于测量架。所以b 也是轴2 相对轴1 在平面v o z l 为的偏差角。 青岛科技大学研究生学位论文 瑚湃蕾 圈3 3 三维坐标内8 角的测量原理示意图 f i g 3 - 3s c , h e m a 6 co fbi n 血坷删s i c 0 缸懈 则在y o z 平面内，a 点与理想状态时的距离差值为： 厶= 睁艄s i n ，一亨c o s 声专血叫 8 点与理想状态时的距离差值为： 血= 睁+ r s i n 7 - 譬c o s + l s i n 式( 3 3 ) ( 3 4 ) 中 i r 一测量长度； 也轴2 的直径； r 接触块的旋转臂长； ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) b 轴2 相对轴1 在y o z 平面内的偏差角； y 轴1 相对轴2 在x o z 平面内的偏差角。 则根据式( 2 1 ) 可知，a 点处的同轴度误差为： 正= 2 缸丽 ( 3 5 ) 根据式( 2 2 ) 可知，b 点处的同轴度误差为： 兀= 2 卮历i 取其中较大值为被测轴的同轴度误差， 示输出。 ( 3 - 6 ) 通过后续电路处理以后由显示模块9 显 一2 1 阿轴度测量仪的研制 第四章光栅测量的设计 4 1 传感器的定义 传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装