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激光對中儀自動校準(zhǔn)研究
一、 引言
1、概述
在各單位生產(chǎn)過程中，常將幾臺單獨的機器聯(lián)結(jié)為機組，使之在電機的帶動下完成各種工作。這種聯(lián)接必須使機器的軸對中，如果設(shè)備對中不良,會造成軸承過早損壞、聯(lián)軸節(jié)摩擦增大、轉(zhuǎn)軸發(fā)生往復(fù)移動等問題,從而降低設(shè)備的能源使用效率,大大縮短設(shè)備的使用壽命。此外,對中不良會對轉(zhuǎn)軸密封性產(chǎn)生嚴重影響。
軸對中的測試方法及工具也在不斷地改進。軸對中的方法，從靠背輪對中、逆向讀表法對中、到今天的激光對中儀。激光對中儀使軸對中這一專業(yè)的復(fù)雜的對中過程，變?yōu)橐粋€簡便的操作過程。目前，我公司檢修工程部電器修造作業(yè)區(qū)及電氣一作業(yè)區(qū)和電氣二作業(yè)區(qū)分別使用激光對中儀，用于電機檢修安裝過程中輔助檢修人員對兩個水平安裝的機械軸進行對中。
2、激光對中儀的工作原理及優(yōu)勢
過去主要使用千分表法來對中,該方法的zui大缺點是觸點受力變化會引起千分表支架位移,影響對中精度,且安裝、觀測操作不便,工作效率低。因此，激光對中儀的隨著生產(chǎn)需求被開發(fā)出來。激光對中儀是國外開發(fā)的一種先進、的設(shè)備對中儀器,具有精度高、效率高、易于操作等優(yōu)點。激光具有的方向性和單色性。方向性是指激光的光束發(fā)散角極小,基本沿直線傳,到達接收器時能量損失很小;單色性是指激光波單一,易被接收器識別,不易受外界光干擾。激光對中儀正是應(yīng)用了激光的這兩大特點。
圖4為一對需要對中的設(shè)備示意圖。
圖1
二、 激光對中儀的校準(zhǔn)
1、激光對中儀的校準(zhǔn)必要性
激光對中儀出廠時是各部件配套供應(yīng)，各部件之間不能互換，長期使用后由于激光參數(shù)、放大器、轉(zhuǎn)換器、位置探測器等部件的增益、損耗、線性會發(fā)生變化，因此會引起激光對中儀測量數(shù)據(jù)發(fā)生變化，使儀器測量誤差加大，儀器的說明書中也建議激光對中儀應(yīng)定期進行校驗，
2、激光對中儀的校準(zhǔn)方法原理
目前激光對中儀的校準(zhǔn)沒有相關(guān)的國家檢定規(guī)程，現(xiàn)送中國測試技術(shù)研究院進行校準(zhǔn)，當(dāng)失準(zhǔn)時沒有有效的檢測工具，無法實施校準(zhǔn)檢測，因此，為方便工序使用，保障激光對中儀的使用，提高其使用效率，現(xiàn)對激光對中儀實施自校準(zhǔn)，提出以下校準(zhǔn)思路：通過對激光對中儀的原理分析，激光對中儀主要是零點的校準(zhǔn)和兩軸之間位移量的變化，通過公式計算，從而得出電機底角的調(diào)整量。因此，根據(jù)激光對中儀的測量原理和測量過程的特點，提出用一個轉(zhuǎn)動及平動的組合裝置，實現(xiàn)激光對中儀的校準(zhǔn)。
3、校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成
激光對中儀的校準(zhǔn)裝置由以下裝置構(gòu)成：三米測長機，芯軸（加工），工具顯微鏡，微動工作臺（加工）。加工件如下圖所示：
（微動工作臺圖）圖2
4、校準(zhǔn)思路
通過對激光對中儀的測量原理及使用說明書可知，激光對中儀的誤差主要有零位誤差和位移量測量誤差，對于零位誤差，其中用三米測長機和芯軸組合，實現(xiàn)測量，對于激光對中儀位移變量的校準(zhǔn)，通過工具顯微鏡，微動工作臺及夾具實現(xiàn)其測量
5、可行性分析
5.1零位校準(zhǔn)
激光對中儀的零位校準(zhǔn)是指在激光對中儀在進行測量時的零位自校，即輸入電機參數(shù)后，激光對中儀轉(zhuǎn)過九點鐘、三點鐘，十二點鐘三個方向時激光對中儀的示值。對零位進行校準(zhǔn)，就需要兩根*同軸的芯軸，并能360度進行旋轉(zhuǎn)，而三米測量機具有良好的同軸度，可自由旋轉(zhuǎn)，可在導(dǎo)軌上平行移動3m,且經(jīng)甘肅省計量研究院檢定合格，具有量值溯源性。因此，*可以實現(xiàn)激光對中儀的零位校準(zhǔn)。
5.2位移量的校準(zhǔn)，
激光對中儀的位移量的測量是指激光對中儀S靶和M靶軸向和橫向位移變量的測量，因此，可將激光對中儀的S靶放置在微動工作臺上，把M靶放在工具顯微鏡上的鏡頭上，通過前后、左右移動微動工作臺，讀取激光對中儀的示值，由于移動微動工作臺額數(shù)值可從工具顯微鏡上讀出來，且工具顯微鏡上的測量誤差為1.5um，遠小于激光對中儀測量誤差的3分之一，所以采用工具顯微鏡和微動工作臺的方式*可以實現(xiàn)激光對中儀位移變量的測量
6、激光對中儀的校準(zhǔn)方法及過程
6.1. 激光對中儀零位校準(zhǔn)
采用三米測長機進行比較測量見圖3。
1-三米測長機尾架；2-芯軸；3-激光對中儀
圖3
6.1.1儀器調(diào)整
在三米測長機尾架上安裝好校準(zhǔn)使用的芯軸；將激光對中儀安裝在芯軸上兩激光單元位置在12點鐘方向；調(diào)整S、M激光單元對準(zhǔn)激光束。
6.1.2零位校準(zhǔn)
激光對中儀在芯軸12點鐘方向設(shè)置零位數(shù)值。
6.1.3校準(zhǔn)點的選取
激光對中儀在芯軸的180°范圍內(nèi)的3、9、12點鐘方向，共計3個校準(zhǔn)點見圖4。
圖4
轉(zhuǎn)動芯軸，使激光對中儀兩激光單元同時轉(zhuǎn)動，位于9點鐘位置，采集示值。然后再次轉(zhuǎn)動芯軸，使激光對中儀兩激光單元同時轉(zhuǎn)動，位于3點鐘位置，采集示值。zui后轉(zhuǎn)動芯軸，使激光對中儀兩激光單元同時轉(zhuǎn)動，位于12點鐘位置，采集示值，并使用水平儀復(fù)查。
6.2垂直平面與水平面示值的校準(zhǔn)
采用工具顯微鏡進行比較測量見圖5。
1-工具顯微鏡；2-讀數(shù)窗；3-固定架；4、5-兩激光單元；6-微動工作臺
圖5
6.2.1儀器調(diào)整
在工具顯微鏡固定架上安裝好被校準(zhǔn)的S激光單元，并將其測量軸線y方向上與工具顯微鏡y向測量軸線重合。
調(diào)整S激光單元使其激光束與工具顯微鏡微動工作臺保持垂直。
將M激光單元安裝在工具顯微鏡微動工作臺上；
調(diào)整M激光單元對準(zhǔn)，保證兩單元相互垂直。
6.2.2校準(zhǔn)點的選擇
根據(jù)激光對中儀的測量范圍，保證測量精度，在x方向上、y方向上正反行程各選擇11點（包括零點）進行比較測量。
6.3測量允許誤差的確定
根據(jù)激光對中儀操作說明書要求其顯示精度不應(yīng)超過其標(biāo)準(zhǔn)點的±2%。對每點在正反行程（包括零點）進行測量，誤差處理的方法，共測量11個測量點，計算結(jié)果按1μm進行修約
7、該組合裝置對激光對中儀實施校準(zhǔn)的測量不確定的分析驗證
對激光對中儀進行測量，進行零位校準(zhǔn)時，主要的不確定度分量為測量重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)裝置分別引入的不確定度分量，由溫度引起的不確定度分量由于激光對中儀的靶面均與同樣的環(huán)境下，所以不做分析。
7.1零位校準(zhǔn)的不確定度分析
零位校準(zhǔn)由測量重復(fù)性引入的不確定度分量為u1
在重復(fù)性測量條件下，選擇三點鐘方向，重復(fù)項測量10次，測量數(shù)據(jù)均為0，則由測量重復(fù)性引入的不確定度分量為0，自由度為9，
對于三米測長機引入的不確定分量，選擇B類方法評定方法進行評定，三米測長機引入的誤差為1.5um,符合均勻分布，則不確定度分量u2為
在重復(fù)性測量條件下，分別選擇橫向和縱向方向，重復(fù)項測量10次，分別用A類不確定方法，評定其測量誤差，用貝塞爾函數(shù)計算得：0.56um和0.63um，則激光對中儀進行橫向和縱向由測量重復(fù)性引入的不確定度分量為分別為0.56um和0.63um，自由度為9，
工具顯微鏡的測量誤差為1.5um，選擇B類方法評定方法進行評定，三米測長機引入的誤差為1.5um,符合均勻分布，則不確定度分量u2為
其擴展不確定度小于激光對中儀的zui大測量誤差的三分之一，所以此校準(zhǔn)方法符合要求
三、 結(jié)論
通過上述分析可知，通過該套組合裝置，可以實現(xiàn)激光對中儀的自主校準(zhǔn)，當(dāng)激對中儀失準(zhǔn)時可及時檢測校準(zhǔn)，方便及時。
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