激光对中仪校准方法的研究

王树刚 王国民

(无锡市计量检定测试中心，无锡 214010)



激光对中仪校准方法的研究

王树刚 王国民

(无锡市计量检定测试中心，无锡 214010)

介绍了激光对中仪的用途，以德国普鲁夫OPTALIAGN激光对中仪为例，具体分析了其结构和基本工作原理，根据OPTALIAGN激光对中仪的结构特点，研制出由测长仪、自准直仪组成的校准装置，校准激光对中仪水平方向、垂直方向的示值误差。

激光对中仪； 设备对中； 几何参数； 校准方法； 不确定度分析

0 引言

激光对中仪是一种用来调整两个相连设备的相对位置、确保该组设备的相对位置符合设计要求的一种测量仪器。简言之，激光对中仪就是安装设备时用来测量相连设备的回转轴是否在一条直线上的仪器。在两回转轴线的对中测量领域，目前有多种高技术、高精度的测量仪器，如德国普鲁夫OPTALIAGN激光对中仪、瑞典FIXTURLA SER 激光对中仪等。现本文介绍以德国普鲁夫OPTALIAGN 激光对中仪为研究对象，从其结构及操作过程入手，尝试分析该测量仪器的工作原理并对激光对中仪的校准方法进行研究。

1 激光对中仪的结构与基本工作原理

1.1 设备对中的必要性

1) 如果设备不对中,轴承会过早地发生损坏，缩短轴承的使用寿命；2) 设备不对中会增大联轴节的摩擦，使机器的能源使用效率显著下降，运营成本提高；3) 设备不对中会产生附加应力，会引起设备零部件的过度疲劳损坏，如转轴产生裂纹，会缩短机器寿命。因此良好的对中能极大的减少运营成本、大大提高工作效率。

1.2 主要结构及基本工作原理

如图1所示，激光对中仪主要由激光发射器及接收器组件、直角双面反射镜组件、转角仪、专用计算机及安装附件等构成。

1.激光发射器及接收器组件；2.直角双面反射镜组件；3.转角仪J1、J2；4.快配夹带；5.静止的机器；6.可转动的机器图1 激光对中仪的结构

基本工作原理：测量时，激光发射器(位于组件1上部)向直角双面反射镜发射一束激光AB，经直角双面反射镜反射后，反射激光EF 由激光接收器(位于组件1下部)接收。激光接收器可测量出反射激光EF 打在接收器上的光点F 的位置坐标值(采样读数)，并将此信号传输给计算机。以相同的转角同步回转J1、J2的转轴，在多个转角方位上采样，计算机将采集的多组采样读数进行计算后，输出两回转轴线的对中状态，并输出为了消除对中误差而应对可移动的机器进行调整的调整量。

1.3 激光对中仪检测的必要性

激光对中仪出厂时是各部件配套供应,各部件之间不能互换,长期使用后由于激光参数、放大器、转换器、位置探测器等部件的增益、损耗、线性会发生变化，因此会引起激光对中仪测量数据发生变化，使仪器测量误差加大，仪器的说明书中也建议仪器使用两年后应进行校验，以保证其工作的可靠性。

2 激光对中仪校准方法

根据激光对中仪的测量原理和测量过程的特点，在含“XY视图”的界面里，X表示被校两轴的不平行度(倾斜量)，当激光发生器和反射镜在垂直位置时，反映的是两轴的水平夹角，在水平位置时反映的是垂直夹角。X值的大小取决于激光发生器到反射镜的距离，即两安装立柱间的纵向距离，它是一个正切值，距离越远，数值越大。在“XY视图”的界面里X值是一个基本值，根据测量时输入的激光发生器到反射镜的距离L1、联轴器端面到前地脚螺钉的距离L2和前后两地脚螺钉的距离L3等参数，仪器会计算出前后螺钉在水平面内和垂直面内的调整量。

校准X值时可用自准直仪产生一个标准角度，在设定的距离上观察其示值，如：反射镜在自准直仪的视场中转过100格，当激光发生器到反射镜的距离为200mm时，X值的增量应该为0.1031mm，逐段校准其示值误差。自准直仪的量程有1800格，而X值的测量范围是±3mm。考虑到边沿信号会失真，校准的示值范围应该为±2.5mm，如果用自准直仪来校准X值的示值误差，则应该把激光发生器到反射镜的距离设定为300mm，此时X的增量为0.1031×1.5=0.1546mm。

在“XY视图”的界面里，Y表示被校两轴的错位量(甲对乙的中心偏移量)校准时可直接测量激光发生器对反射镜的线位移量。

同时在“XY视图”的界面里包含有角度值，单位为“°”，在其激光发生器内装有电子水准泡，激光发生器旋转时直接显示角度值。校准时把激光发生器固定在分度值为10″的光学分度头上，通过旋转光学分度头直接测出其示值误差。

3 校准过程及不确定度分析

3.1 校准过程

如图2所示，激光对中仪校准装置由测长仪、对中仪发射器、对中仪反射器、自准直仪组成，现对型号为ALI 12.200编号为MT20048-23激光对中仪进行校准，对中仪和自准直仪分别安放在测长仪顶端及工作台面上，距离L1的值应根据激光对中仪的允许使用距离，在这个距离范围内选取几个合适的距离逐一进行测试。打开对中仪，按照操作说明的要求将L1、L2等数值输入计算机。L2的数值可选择较大的值而有利于计算精度，并通过对棱镜转角的调整，及高矮的微调使对中仪专用计算机上显示的反射激光束在位置探测器上，X、Y位置尽量接近零，此时按下计算机上相应的零点键，即为激光对中仪零点值。

1.测长仪顶端；2.对中仪发射器；3.对中仪反射器；4.测长仪工作面；5.自准直仪图2 激光对中仪校准装置

如图3所示，同时旋转自准直旋钮到最左边并调清楚自准直仪视场中十字分划板的像，此时的读数值也记为原始校准位置，再旋转自准直仪旋钮产生标准角度(100格)。

图3 自准直仪产生标准角度

表1为L1=300mm时，XY方向校准结果。

表1XY方向校准结果 单位:mm

3.2 不确定度分析

该型号的激光对中仪说明书规定位移示值误差在±7%范围内，为了验证校准的正确性，先作X方向测量不确定度分析：

3.2.1 自准直仪读数引入的不确定度

根据自准直仪检定结果，任意1000分度示值误差不大于5格，当旋转1600分度值时，且L1=300mm时，引入的不确定度分量为：u1=11μm。

3.2.2 钢卷尺测量距离时引入的不确定度

假设在测试范围L1=300mm时，2级钢卷尺引入的不确定度分量：u2=17μm。

3.2.3 测量重复性引入的测量不确定度

以标准值2.40mm为例，重复测量10次得到，测量重复性引入的测量不确定度分量：u3=20μm。

3.2.4 校准时合成标准不确定度：

3.2.5 扩展标准不确定度计算

U=kuc=56μm(k=2)

相对扩展标准不确定度用满量程2.40mm的百分比表示为：Urel1=2.3%(k=2)。

同理，分析出Y方向满量程2.50mm相对扩展标准不确定为：Urel2=2.5%(k=2)。

通过分析得出，相对扩展不确定度远远小于说明书规定位移示值误差7%。说明此校准方法具有一定的可行性。

4 结束语

本文就激光对中仪的校准现状，从可以依据的技术标准讨论，到校准装置的合理性探讨，以及提出相应的校准方法及其测量不确定度分析，技术机构根据自己现有标准器的配备情况来选择合适的测长仪和自准直仪，完全能组装一套激光对中仪校准装置。

[1] 白翔龙，顾爱民，丁福全.激光对中仪误差的测试方法.计量技术,1998(6)

[2] 吴健.激光对中仪的工作原理及其应用.工具技术，2005(12)

[3] 国家质量技术监督局计量司.测量不确定度评定与表示指南.北京：中国计量出版社,2000

[4] 国家质量技术监督局.测量不确定度评定与表示(JJF1059—1999).北京：中国计量出版社,1999

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.19