基于PSD的高精度激光校准仪的设计

　　0　引　言

　　在机械安装和调试中,常需将轴承与转动组件(例如:电机轴)准确安装到位,这就要求各机组轴系的校准可靠。目前,在我国对轴系的校准还常使用传统的工具,通常,采用直缘尺和百分表,或采用钢琴线法和望远镜法进行校准。上述方法往往依靠操作人员的经验,完全靠人眼读数,工作复杂,以至于只有少数高技能的技术人员才能真正掌握轴系的校准方法,而且,校准精度不高和主观性很强。在国外,已经有一些公司和研究机构已经研制出商品化的校准仪器,例如:德国的Pruftechnik AG公司和瑞典的Damalini公司,他们的许多产品已经广泛地应用于工业生产中。

　　目前,国内市场以原装进口的轴系校准仪为主。鉴于上述情况,采用PSD光学传感器、精密机械装置以及高精度A/D转换单片机,设计了基于PSD的高精度激光校准仪,具有测量精度高、使用寿命长等优点。

　　1　工作原理

　　1.1　轴系校准原理

　　在轴系校准中,主要是校正电机轴和机泵轴的同心度,即轴连接的错位和倾斜,然后,通过调节电机座的前/后脚的水平和垂直调节量来校正两轴同心度。因而,要测量的校准参数为水平、垂直偏移和水平、垂直偏角,如图1所示。

　　图中,OH/OV为水平/垂直偏移, rad;AH/AV为水平/垂直偏角, rad;FH₁/FH₂为前/后脚的水平调节量,μm;FV1/FV₂前/后脚的垂直调节量,μm。

　　对于偏移和偏角的测量,一般采用相对轮缘刻度表法(reverse rim dialmethod)^[1~3]。在激光校准仪系统中,只不过把该方法中的2个千分表替换为激光发射器和激光接收器,如图2所示。

　　相对于相对轮缘刻度表法,激光校准仪的改进测量步骤为:

　　(1)在要校准的机器轴上分别安装支座,然后,将激光发射器和激光接收器安装在各自的支座上;

　　(2)测量相关的机器尺寸;

　　(3)调整激光发射器的光束,使得光束不仅对中,而且,垂直投向激光接收器的PSD芯片;

　　(4)测量偏移时,顺时针旋转电机轴,分别在90°,180°, 270°位置上测量光束在激光接收器PSD芯片上偏移量;

　　(5)计算电机座前后脚的调节量,并根据计算量调节电机座前后脚;

　　(6)重复4, 5,直至校准。

　　在上述测量步骤中,对于电机座前后脚的调节量的计算是基于简单的三角关系,只要测量出轴连接的偏移和偏角,很容易就能得出电机座前/后脚的水平和垂直调节量,其关系表达式为

　　式中　a, b, c分别为激光接收器与激光发射器之间的距离、电机座前脚到激光发射器之间的距离和电机座前脚到电机座后脚间的距离,μm。