双轨安装现场激光准直测量系统的设计

　　0　引　　言

　　随着我国装备制造业的快速发展和大型装备自动化、信息化水平的不断提高,对大型工业装备的安装精度也提出了更高的要求,因为装备的安装精度会直接影响生产产品的质量。借助先进的光电测量技术,提高大型装备安装精度,是当前迫切需要解决的问题。当前生产装备安装现场普遍采用的一些方法原理简单,但对于安装操作人员要求较高,需要相当的安装调试经验,并且系统精度不高,例如拉钢丝法、划线法以及利用水平仪逐段调整等方法。目前,市场上有不少成型化的激光自动测量仪,例如大连拉特激光科技开发有限公司的系列激光检测系统,在工程化中得到了很好的应用。天津大学也根据不同现场的实际需求,相续开发了一些激光自动测量仪。但由于使用现场的复杂性与测量范围及精度要求的不同,需要根据使用环境,研制特定的激光测量装置,满足具体需求。本文根据目前大型装备超长双导轨调整安装的要求,提出了双光束激光准直测量系统,测量原理如图1所示。该系统由半导体激光器、光学分光及转向部分、光电接收器及液晶显示模块组成。光电接收器选用分辨率高、响应速度快的位置敏感器件PSD(position sensitive detector),实现对双导轨安装偏差的测量,提高了导轨安装的精度和速度。

　　1　测量系统组成

　　1.1　光源部分的组成

　　图1所示为大型装备超长双导轨调整安装激光准直测量系统,其激光准直光源部分由GaAs半导体激光器、光束分束器及转向器组成,GaAs半导体激光的输出波长

　　为635 nm,发散角为0.2 mrad,光束束腰半径为2 mm。半导体激光器出射光束经分光棱镜后分成两束相互垂直的光束。其中透射光束1作为导轨1的安装检测基准,反射光束2经五棱镜转向90°后与基准光束1平行,作为导轨2的安装检测基准。两基准光束的平行度与水平度,由分光转向系统的精密安装调整机构保证。设计的系统基准水平度达到0. 08 mm/m,平行度达到0.05 mm/m。

　　1.2　测量接收靶标的设计

　　接收靶标主要包括光电接收器件及其信号处理显示电路组成。在本测量系统中,需要同时测量调整导轨在水平和竖直方向的偏移量,因此选用二维枕形结构的PSD作为光电接收器件。靶标的设计中加入了滤光装置,用以减小背景光对PSD测量精度的影响。

　　2　接收器PSD处理电路的设计

　　系统选用的二维PSD如图2所示。

图中内部矩形部分为PSD的有效感光面,X1,X2,Y1,Y2分别为4个电极。当有非均匀入射光照射到PSD感光面时,由于产生横向光电效应,在其4个电极X1,X2,Y1,Y2将有电流输出。根据4个电极输出电流的大小就可以计算出光斑在PSD感光面上的位置坐标:式中:X1,X2,Y1,Y2分别为4个信号电极上的输出电流信号,x,y为入射光点距PSD中心坐标点的位置坐标,L为两相邻电极之间的距离。在实际应用中,为了提高PSD输出信号的抗干扰能力和方便后续电路的设计,通常将PSD电极输出的电流信号转化成电压信号,再根据式(1)进行运算处理,信号处理电路如图3所示。Vr为PSD反偏电压(6 V),反馈电阻Rf的值根据PSD感光面接收的光信号的强弱而定,其余电阻均为同值精密电阻。各运放选用低温漂、高输入阻抗的运算放大器,除法运算则选用高速、高精度、线性好的实时模拟除法器AD538来实现。