基于光斑位置傳感器的長(zhǎng)導(dǎo)軌準(zhǔn)直系統(tǒng)

羅 凱，陳培鋒，王 英

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

基于光斑位置傳感器的長(zhǎng)導(dǎo)軌準(zhǔn)直系統(tǒng)

羅 凱，陳培鋒*，王 英

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

為了檢測(cè)長(zhǎng)導(dǎo)軌的直線度，采用激光作為參考基準(zhǔn)線，將2維光斑位置傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)固定在導(dǎo)軌滑塊上的2維光斑位置傳感器沿著導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，光斑的位置數(shù)據(jù)會(huì)通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)浇K端上，輸入位置信息之后，軟件會(huì)自動(dòng)繪制出導(dǎo)軌的2維直線度曲線。結(jié)果表明，計(jì)算出激光偏角帶來的誤差遠(yuǎn)小于1μm;通過高精度位移平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的精度可達(dá)到3.4μm;實(shí)際使用中，檢測(cè)了7.2m的長(zhǎng)導(dǎo)軌，取得了長(zhǎng)導(dǎo)軌的直線度數(shù)據(jù)，重復(fù)精度可達(dá)5μm。這一結(jié)果對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)軌直線度測(cè)量的研究是有幫助的。

激光技術(shù)；激光準(zhǔn)直；比對(duì)實(shí)驗(yàn)；光斑位置傳感器

引 言

導(dǎo)軌直線度[1-2]是評(píng)價(jià)機(jī)床質(zhì)量的重要指標(biāo),直接影響機(jī)床加工出來的產(chǎn)品精度和機(jī)床質(zhì)量。在機(jī)床生產(chǎn)過程中，檢測(cè)機(jī)床直線度并進(jìn)行修正[3-5]是提升機(jī)床質(zhì)量關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

導(dǎo)軌直線度的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有平尺法、鋼絲法等。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的通用工具如水平儀、自準(zhǔn)直儀等[6]，多是以測(cè)量元件的精度為基準(zhǔn),人為引入的誤差較大,其檢測(cè)精度難以滿足目前工業(yè)界的需要[7]。激光具有高方向性以及高亮度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為測(cè)量的基準(zhǔn)。使用激光作為測(cè)量基準(zhǔn)的測(cè)量方法與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，具有測(cè)量精度高、體積小、幾乎不受被測(cè)導(dǎo)軌長(zhǎng)度的制約等優(yōu)點(diǎn)[8]。隨著科技的發(fā)展,直線度檢測(cè)發(fā)展至自動(dòng)測(cè)量[9],其中，以圖像控制器(charge-coupled device，CCD) 或光斑位置傳感器[10](position-sensitve device,PSD)等光電傳感器為核心的激光準(zhǔn)直技術(shù)被不斷應(yīng)用在直線度檢測(cè)領(lǐng)域中[11-13]，使得直線度準(zhǔn)直精度至少提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)[14]。本文中介紹的基于PSD的長(zhǎng)導(dǎo)軌準(zhǔn)直系統(tǒng)，以精度為3.4μm的PSD為接收器，測(cè)量長(zhǎng)度為7.2m的導(dǎo)軌，重復(fù)精度優(yōu)于5μm。

1 工作原理

圖1為系統(tǒng)原理圖。導(dǎo)軌直線度測(cè)量系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：發(fā)射模塊、接收模塊和處理模塊。發(fā)射模塊發(fā)出激光，接收模塊探測(cè)激光光斑重心，并且固定在導(dǎo)軌滑塊上隨之一起運(yùn)動(dòng)，處理模塊負(fù)責(zé)處理、展示數(shù)據(jù)。向處理模塊中輸入導(dǎo)軌的坐標(biāo)后，處理模塊會(huì)顯示導(dǎo)軌的直線度偏差曲線，標(biāo)出導(dǎo)軌不同位置的直線度偏差。

發(fā)射模塊由He-Ne激光器和透鏡組組成。He-Ne激光器發(fā)出激光之后，經(jīng)過透鏡組的準(zhǔn)直與放大，與導(dǎo)軌平行地發(fā)射到接收模塊上。經(jīng)過處理之后的激光準(zhǔn)直性良好[15]，光斑直徑不超過2mm，功率約為5mW[16-17]。

Fig.1 Sketch map of the system

接收模塊主要由紅光濾光片、衰減片、PSD、PSD處理電路和藍(lán)牙模塊組成，其主要功能是檢測(cè)出光斑的重心坐標(biāo)并通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給移動(dòng)終端。紅光濾光片的作用在于把自然光和He-Ne激光器發(fā)出的紅光(632.8mm)分離。衰減片的作用在于將接收到的激光功率控制在1mW以下。PSD主要功能是檢測(cè)光斑的重心位置，中心區(qū)域的檢測(cè)精度可以達(dá)到3.4μm。由于PSD輸出信號(hào)會(huì)受到暗電流、非線性失真等因素的負(fù)面影響，給PSD配套使用了一塊處理電路板(濱松公司C9069)用于提高PSD檢測(cè)的精確性。藍(lán)牙模塊用于和移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程通信。整個(gè)接收模塊用鋁制外殼包裹用于使用現(xiàn)場(chǎng)屏蔽電磁干擾和灰塵。

處理模塊即移動(dòng)終端，可以是安卓手機(jī)或者筆記本電腦。安裝了為實(shí)驗(yàn)特制的軟件之后即可接收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在輸入導(dǎo)軌坐標(biāo)之后，能夠繪制導(dǎo)軌的直線度曲線，并標(biāo)明導(dǎo)軌每個(gè)位置的直線度偏差，精確到5μm。圖2為手機(jī)上繪制直線度曲線的軟件圖。

Fig.2 Software interface

2 硬件設(shè)計(jì)

用Reallight公司生產(chǎn)的He-Ne激光器輸出單模激光，功率約為5mW[18]。擴(kuò)束準(zhǔn)直分別使用焦距為8mm以及200mm的凸面鏡，80mm鏡片焦點(diǎn)處放置直徑為0.1mm的小孔進(jìn)行空間濾波。濾波后激光準(zhǔn)直性和單色性得到增強(qiáng)。

接收模塊核心部件PSD為日本濱松公司生產(chǎn)的S1880型2維位置傳感器，光斑重心測(cè)量精度為3.4μm。PSD安裝在C9069型電路板上，PSD接收光斑后輸出光斑的重心坐標(biāo)給電路板，由于PSD本身的枕形結(jié)構(gòu)[19]，電路板使用特定的算法[20-21]修正了這一結(jié)構(gòu)帶來的誤差[22]。輸出接口為RS232串行接口,接上藍(lán)牙模塊即可在30m內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 關(guān)于PSD傾斜帶來的誤差分析

從圖1中可以看出，接收模塊的核心部件PSD是固定在滑塊上的，PSD始終垂直于導(dǎo)軌，而導(dǎo)軌并不是完美的直線，存在著左右與上下的起伏，因此隨著滑塊在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)，PSD和激光不再是垂直的關(guān)系，兩者之間存在一個(gè)偏角α,這個(gè)偏角會(huì)對(duì)PSD測(cè)量的坐標(biāo)產(chǎn)生影響[23]。

圖3為激光偏角的原理圖。其中直線AC代表激光，A點(diǎn)是滑塊移動(dòng)之前激光與PSD的交點(diǎn)，C點(diǎn)是滑塊移動(dòng)之后激光與PSD的交點(diǎn)。直線AB，BD是輔助線，AB平行于導(dǎo)軌，BD垂直于AC。

Fig.3 Measurement error caused by laser deflection angle

當(dāng)導(dǎo)軌出現(xiàn)傾斜時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的光斑位移為線段BC(設(shè)為d1)，實(shí)際上的導(dǎo)軌偏差位移為線段BD(設(shè)為d2),測(cè)量誤差設(shè)為δ,直線AC和直線AB之間的夾角設(shè)為α,則有以下關(guān)系：

導(dǎo)軌在直線度測(cè)量之前都會(huì)經(jīng)過普通水平尺的測(cè)量，精度為0.029°,等于0.5mm/m，所以，α<0.029°。另外d1(即線段BC長(zhǎng)度)被PSD的直徑限制，小于6mm。由此可以算出：

δ?1μm,相對(duì)于PSD的精度3.4μm來說可以忽略不計(jì)。因此,激光偏角對(duì)直線度測(cè)量造成的誤差可以忽略不計(jì)。

3.2 PSD精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

日本濱松公司給出PSD的參考精度為3.4μm。為了驗(yàn)證長(zhǎng)距離情況下PSD的使用精度，采取了高精度位移平臺(tái)來進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，位移平臺(tái)精度達(dá)到1μm，激光器固定在距離PSD 10m處，檢測(cè)裝置和位移平臺(tái)一起移動(dòng)，讀出位移平臺(tái)上的數(shù)據(jù)和PSD導(dǎo)軌準(zhǔn)直系統(tǒng)給出的位移數(shù)據(jù)，接著進(jìn)行比較，觀察PSD的精度，如表1所示。

Table 1 Displacement of micro-displacement platform and PSD

從表1中可以看出，一共15組數(shù)據(jù)，平均誤差為1.64μm，最大誤差為2.70μm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.06μm，小于3.4μm?；谝陨蠑?shù)據(jù)可以得出結(jié)論:PSD的測(cè)量精度達(dá)到了3.4μm。

3.3 導(dǎo)軌精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)導(dǎo)軌準(zhǔn)直系統(tǒng)的實(shí)際使用情況，在河南某數(shù)控機(jī)床有限公司開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)了還沒有經(jīng)過準(zhǔn)直的機(jī)床。導(dǎo)軌長(zhǎng)度為8m，由于接收模塊在導(dǎo)軌上的滑塊本身長(zhǎng)30cm，不可以移出導(dǎo)軌，所以只測(cè)了7.2m的長(zhǎng)度。每隔30cm測(cè)一個(gè)點(diǎn)，一共測(cè)了25組數(shù)據(jù)，重復(fù)測(cè)試了3次。

導(dǎo)軌在x,y方向上的直線度如圖4所示。導(dǎo)軌3次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示。

從圖4中可以看出機(jī)床導(dǎo)軌在x(水平)方向、y(垂直)方向上的直線度。x方向上的偏差較小，y方向上偏差較大，這是由于導(dǎo)軌安裝的方式?jīng)Q定的，x方向沒有螺絲固定，精度主要依賴于導(dǎo)軌出廠時(shí)的精度，本身不易產(chǎn)生偏移。y方向由螺絲固定，螺絲的松緊會(huì)造成導(dǎo)軌的形變，從而引起導(dǎo)軌的起伏，即y方向上的誤差。

從圖5中可以看出，導(dǎo)軌x方向、y方向重復(fù)精度都小于4μm，滿足5μm的精度要求。這意味著工人可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)床準(zhǔn)直的調(diào)節(jié)，預(yù)期調(diào)節(jié)精度可以達(dá)到5μm。

Fig.4 Straightness of guide rail

Fig.5 Standard deviation of the straightness

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)出了一套安裝簡(jiǎn)單、使用方便的導(dǎo)軌準(zhǔn)直系統(tǒng)，能夠滿足高精度導(dǎo)軌直線度的測(cè)量要求。通過理論計(jì)算，排除了激光偏角的影響，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PSD的精度，達(dá)到了3.4μm；通過工廠的實(shí)驗(yàn)，證明導(dǎo)軌準(zhǔn)直系統(tǒng)在測(cè)量7.2m長(zhǎng)的導(dǎo)軌時(shí)，重復(fù)精度可以達(dá)到5μm，滿足高精度導(dǎo)軌直線度的測(cè)量要求。

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Longguiderailalignmentsystemsbasedonpositionsensitivedetectors

LUOKai,CHENPeifeng,WANGYing

(School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to detect the long rail straightness, laser was used as the reference line, and 2-D position sensitive detector was used as photoelectric converter. When 2-D position sensitive detector was fixed on the guide rail slider and moved along the guide rail, the spot position data was transmitted to the terminal through bluetooth module. After entering the location information, the curve of 2-D straightness was drawn by the software automatically. The results show that, through theoretical analysis, the error of laser deflection angle is calculated and is less than 1μm. The system accuracy is verified by high-precision displacement platform experiment and reaches 3.4μm. In practical appliaction, a long rail of 7.2m is detected and the straightness data of long guide rail is obtained. The repeatability precision can reach 5μm. The study is helpful for straightness measurement of long rails.

laser technique; laser alignment; contrast experiment; position sensitive detector

1001-3806(2018)01-0030-04

羅 凱(1993-)，男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事光學(xué)電子器件的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail:pfchen@hust.edu.cn

2017-02-22；

2017-04-13

TH741

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.006