一种测量双导轨位置度误差的新方法

陈熹

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

一种测量双导轨位置度误差的新方法

陈熹

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

介绍了一种新的位置度误差测量方法，该方法利用激光器、PSD、LVDT、倾角传感器、数据采集卡以及计算机组成的测量系统，能够对平行双导轨的位置度进行有效的测量。

位置度测量；双导轨；PSD

在精密检测行业中，经常要用到平行双导轨构造，并且对双导轨的位置度有一定要求，但是目前国内对长距离双导轨的检测还没有现成的解决方案和产品，因此本文设计了一种新的测量系统，能够逐点对长距离双导轨的位置度进行检测，利用几何关系算出每根导轨的距离理论位置的坐标，并通过计算机实时显示出来。由于被测量是位置度，因此必须建立直线基准。

1 测量原理

在检测时，由激光器射出的激光束构成直线基准，激光束的位置由激光器和远端PSD共同确定。传感器组件包括二维PSD、LVDT和倾角传感器，将其放在双导轨上，这些传感器反馈的模拟信号被数据采集卡转换成数字信号后经过通信模块传递至计算机，再由Labview通过几何关系算出每根导轨的位置度并在屏幕上显示出来。如此沿着导轨逐点测量即可得到导轨全长的位置度。

图1为传感器组件结构示意图，AB为平行排列的两导轨，理论间距为Lb，导轨的工作区域为其顶端的母线，所以实际上是对导轨顶端的母线进行测量。以下提及导轨的时候均指导轨顶端的母线。

图1 传感器组件

图2 几何模型

在工作时，整个传感器组件通过弹簧顶在导轨B上，从而确保整个结构左边和导轨A接触，此时导轨A和二维PSD中心的距离为La。由激光器和远端PSD共同定位的激光打在二维PSD上，PSD的读数即为此刻激光在其上位置的坐标（X，Y）；设LVDT和倾角传感器相对于零位的读数分别为L和α，并规定对于L来说，以导轨B远离导轨A的方向为正，对于α来说，以逆时针方向为正；并设导轨A和B相对于理论位置的位置度误差分别为（Ax，Ay）以及（Bx，By）。

不失一般性，假设导轨A和B的实际位置均落在其各自理论位置坐标系的第一象限内，建立图2所示几何模型。由于是以激光作为位置基准，因此首先要将PSD中心的位置换算成坐标系4的坐标，点4在坐标系3内的坐标为（X，Y），注意到坐标系3对于坐标系4的转角为α，进行坐标变换得到点3在坐标系4内的坐标为（-X cosα+Y sinα，-X sinα-Y cos α）。又在坐标系4内点2相对于点3的位置是（-La cosα，-La sinα），因此点2在坐标系4内的坐标为（-X cosα+Y sinα-La cosα，-X sinα-Y cosα-La sinα）。再将点4进行坐标变换至坐标系1内，显然点4的坐标为（La，0），由此可得点2在坐标系1内的坐标为（-X cosα+Y sinα-La cosα+La，-X sinα-Y cosα-La sinα）。至此便得到了导轨A在坐标系1内的坐标，即导轨A的位置度误差：

考察点6的位置，显然在坐标系5内点6相对于点 2的坐标为（（Lb+L）cosα，（Lb+L）sinα），而点2在坐标系5内的坐标为（Ax-Lb，Ay），则点6在坐标系 5内的坐标为（Ax-Lb+（Lb+L）cosα，Ay+（Lb+L）sinα）。从而得到导轨B在坐标系5内的坐标，即导轨B的位置度误差：

2 所用传感器简介

2.1 PSD

PSD（Position Sensitive Detector）是一种半导体光电位敏探测器，它具有分辨率高，响应速度快，只对光斑的能量中心敏感而不受光斑的强度，分布和尺寸影响的优点[1]。

2.2 LVDT

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器的缩写，它主要由一个初级线圈，两个次级线圈和一个铁芯构成。当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈上的感应电势一样，这样输出电压为0，当铁芯偏离中间位置时，两个次级线圈之间产生电势差，通过测量电势差即可得到铁芯的位移量。LVDT有线性范围，铁芯的位移不可超出其线性范围。

2.3 倾角传感器

大部分的倾角传感器都是基于重力加速度来进行测量的，从工作原理上可分为固体摆、液体摆和气体摆三大类。其中，液体摆倾角传感器因系统稳定，在高精度系统中应用较为广泛，且目前国内外的成熟产品多为此类。

3 结束语

本文介绍的位置度测量方法具有使用简单，成本低，测量结果可视化的优点，并且测量精度和分辨率以及响应速度等可根据实际需要选购不同的传感器来进行调整，适合各种较长双导轨的检测。

[1]袁 江，邱自学，庄丽阳.用PSD进行便携式激光准直仪的研究[J].工业计量(增刊)，2000：270-273.

A New Method of the Measurementof Tw in-Rail's PositionalError

CHEN Xi
(SchoolofMechanicalEngineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

This paper introduces a new method formeasuring the positional error.The system consists of laser,PSD,LVDT,inclinometer,data acquisition card and computer can perform effectivemeasurement of the positional error of twin-rail.

positionalerrormeasurement；twin-rail；PSD

TG83

B

1672-545X（2014）04-0175-02

2014-01-07

陈 熹（1985—），男，湖北人，工程硕士在读，研究方向：精密测量。