一种简便激光对中仪设计及其数学模型的研究

　　0　引言

　　以连轴器连接的设备,即使采用挠性联轴器也要良好的对心才能避免联轴节、轴承、密封等组件快速磨损。一般情况下,几乎50%的旋转机械的停机故障是由轴不对中引起的,这些故障会造成轴承失效、连轴节磨损过热、效率降低从而导致昂贵的维修费用和生产损失。此外,轴不对中也会增加振动程度和摩擦,增加大量能耗,并导致轴提早失效。

　　而利用最先进的激光技术来测量和调整轴不对中情况是目前解决此类问题的关键技术。减少轴承和密封失效、减少设备的振动、减少联轴节的磨损,从而减少生产损失、延长设备的生产时间、降低维修成本。

　　激光对中仪是集机、光、电、软件系统于一体的精密测量仪器,目前国内没有适于现场应用的成熟产品,国外的产品也只能运用手动转动90°角后测量,价格昂贵。鉴于此,作者开发出一种能实现自动连续测量的基于单LD-单PSD的激光对中仪产品。

　　1　测量系统的数学模型

　　轴对中技术的关键内容为测量大型回转机械两联接轴轴线的平行偏差和角度偏差。通常是将两轴空间位置关系分解到两个互相垂直的平面上,利用空间两条轴线的相互位置关系,反求出偏差的大小,从而进行具体的调整。

　　通过联轴器连接的两轴,若精确对中,则在旋转过程中,由激光器LD发出的光束在PSD光敏面上的光斑轨迹是一个固定点;若不同轴,即存在空间两条轴线的相互位置和角度偏差,则在PSD光敏面上的光斑轨迹是一条封闭曲线,将其进行数学反演,即得两条轴线不同轴度位置和角度偏差[1]。图1为基于单LD /单PSD的激光对中仪结构的测量系统模型。

　　实测中,xOy为激光器上建立的坐标系, xOy为PSD上建立的坐标系; AA1、BB1为两束分别处于激光器的两端部光束,两个坐标系的空间位置关系如图2所示。若假设激光束无论在多长距离测量时都完整照射在PSD探测器的表面,且激光器坐标系的xOy面与PSD器件坐标系xOy面均近似平行于水平面。同时,激光器与PSD器件安装时近似垂直,则测量原理简化为如图3所示的数字模型。

　　设在激光器直径上两点A、B发出的光束正好投射到光斑封闭曲线的最远点A1、最近点B1,如图3所示。因而,只要求出线段A1B1的中心点O′,即为激光器中心点O在XOY坐标系中的投影,则在XOY坐标系中O′(x0,y0)的坐标即为两条轴线的平行和垂直偏差。再设两轴坐标原点之间的距离为D,则轴对中角度偏差相对水平面:α=arctan(x0/D),相对垂直面:β=arctan(y0/D)。由于工件连续转动,故设置数据采集系统采样频率和采样速度,使轴每旋转1圈,采集卡采集512点,算出每转1圈时轴不对中误差,再取多次测量平均值,即可求出实际不对中误差的大小和调整量。