机电一体化液压系统的设计与控制文献综述

1、吉林化工学院文 献 综 述基于2D-PSD的导轨直线度测试仪设计Rail Straightness Tester Based on 2D-PSD Design性 质: 毕业设计 毕业论文教 学 院： 机电工程学院系 别：机械电子系学生学号：11410514学生姓名：李梦竹专业班级：机自1105指导教师：孔繁星职 称：讲师起止日期：2015.3.22015.3.28吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院本科毕业设计文献综述基于2D-PSD的导轨直线度测试仪设计摘 要：导轨作为电梯等运行设备的导向部件，其质量决定着设备运行的准

2、确、安全，和舒适程度。而导轨的直线度是导轨的一项极为重要的性能参数，其精度直接影响着导轨的质量，是评价导轨的重要指标。本文在阐述导轨直线度自动检测的重要意义的基础上，查阅了导轨检测技术的国内外研究与应用现状及发展，确定了导轨直线度检测的总体方案。系统采用激光准直技术，以精度为0.001mm的2D-PSD为核心获取二维位置信息以测量导轨的直线度，提高了导轨直线度的测量精度。系统根据检测平台的实际环境，进行了发射/接收装置的机械结构设计，硬件接口电路设计、软件模块设计等，解决大长度导轨直线度精密测量问题。系统能够有效地解决精密长导轨直线度检测与高精度测量的难题，为大范围长导轨直线度测量提供了一种新

3、的检测方法。关键词：直线度； 激光准直技术； PSD；导轨1 绪 论 1.1 导轨直线度检测的目的及意义导轨作为传导和支撑元件，广泛应用在电梯、铁路及各种机械设备中。导轨由于自身挠度、机架变形等将会影响其直线度精度。导轨的直线度精度直接影响着运动的平稳性，产生噪声，缩短运行寿命。随着科学技术和生产需求的发展,对大尺寸导轨的精度要求越来越高。虽然国内激光准直技术有了长足的发展，有些准直仪对直线度的测量精度也比较高，但这些仪器大多是在实验室条件下为短距离直线度的测量设计的，很少有应用于工业生产现场的，而应用于装备制造业现场的长距离导轨直线度高精度测量仪，在国内更是少见。本课题通

4、过对长距离大范围导轨直线度检测方法及系统地研究，可以有效地解决精密长导轨直线度在线检测与高精度测量的难题，为大范围长导轨直线度测量提供新的检测方法，使激光准直技术在直线度测量方面产生质的飞跃，提高导轨直线度的测量。该项目成功研制预示着在大范围长导轨的光电激光准直高精度测量得到彻底地解决，增强我国精密测量设备在国际市场的竞争力。基于2D-PSD的导轨直线度测量方法以激光光束为准直基准线，采用两个2D-PSD获取的二维位置信息分别建立大型长导轨的空间偏角数学模型及空间直线度，最终解决电梯、铁路、精密机械等行业应用的大长度范围导轨直线度精密测量的难题，研制出具有工程实用价值的、具有独立知识产权的精密

5、长导轨直线度精密测量仪器，推进我国大长度范围直线度精密测量的进程。导轨精度指标是指导轨的直线度(或平面度)及导轨间的相互平行度等指标。这些精度指标的高低决定了机器运动直线度和运动角摆的大小。可见导轨的直线度是影响导轨精度的重要指标。导轨由于自身挠度、机架变形等都会影响其直线度精度。而导轨的直线度误差将会影响运动的平稳性，产生噪声，缩短运行寿命。导轨作为传导和支撑元件，广泛应用在电梯、铁路及各种机械设备中。在电梯中，导轨作为电梯轿厢对重的导向装置，直接关系到电梯运行的稳定性、安全性和舒适性。随着对电梯运行质量越来越高的要求，导轨基准线的精确成为保证电梯高质量运行的关键。铁路运输中，随着铁路运输提

6、速、重载的快速发展，对旅客列车的安全性、舒适性、平稳性提出更高的要求，除了改进车辆走行系统结构外，更重要的是进一步提高轨道线路的平直状态。同样在生产和检修机床的过程中，为了保证零件加工的形状精度，往往需要对导轨的直线度以及溜板移动的直线度等指标进行检测。此外，日常平台平面度的检验及大型设备组装精度的确定，也常常会归结为对于直线度的测量。1.2  导轨直线度检测技术的国内外发展状况在国外发达国家，激光准直技术发展较早，大型长导轨的检测主要由双频激光干涉仪及其附件来实现。1981 年，前苏联科学家在激光准直法的基础上利用光束锁定原理，在测量过程中对激光束的平行漂移和角

7、漂移进行补偿校正，其标准偏差精度达到0.06m/m。这是迄今为止准直精度最高的报道，仅用于国家基准实验室，准直范围在5m 以内。美国HP公司开发的双频激光直线度测量仪，是在激光准直的基础上采用干涉原理进行测量读数的，分辨力、测量精度都很高，精度可以达到0.25m。由美国LLNL 国家实验室和空军Wright 航空研究所等单位合作研制的LODTM大型精密机床中的激光干涉测量系统所采用的是专门研制的SP125 型双频激光干涉仪，使用了碘稳频技术，因而具有很高的测量稳定性和分辨力。英国Renishaw（雷尼绍）公司生产的ML10 GOLD 

8、激光干涉仪及其相关的直线度测量设备，可实现短程0.1-0.4m（分辨率为0.01m）和长程1- 30m（分辨率0.1m）的测量，可实现数控机床高精度直线度测量。瑞典Damalini公司生产的Easylaser系列激光对中仪，可以完成直线度、平面度、平行度、垂直度、心轴测量等多种几何测量功能1。国内学者也对激光准直测量技术进行了大量的研究工作，经过几十年的研究，取得了巨大的进步，但距离国际先进水平仍存在一定差距。北京交通大学研制的便携式小型化激光准直仪，可对大工件的各种形状位置误差（如：直线度、同轴度）进行测量，也可为大型装配与调整提供测量基准。由中国科学院光电技术研究所研制的基于四象

9、限光电池的激光准直仪，利用激光光线作为基准，用四象限光电池作为探测器，其分辨力为0.01mm，作用距离可达40m。南通工学院研制的便携式激光准直仪，由半导体激光器、PSD 光靶、PCL818数据采集板、步进电机控制卡和直线度误差评定软件组成，实现了仪器的便携化和对直线度误差的动态连续测量，测量结果精度可以达到10m/m。哈尔滨理工大学用 PSD 激光准直仪测量了 3 米长精密导轨等工件的直线度误差，实验结果表明仪器的分辨率达到1m，测量精度达±3 m /m。天津大学国家重点实验室张国雄等教授研制的基于 P

10、SD 的“电梯导轨表面轮廓在线检测和分析系统”，应用了自动安平铅直仪，在实验室环境下建立了铅直精度不低于 2的激光铅直基准。同时将经过实验室标定的 PSD 测量装置对电梯导轨直线度进行测量，在 50m 范围内导轨扭曲度和平行度的测量精度可达40m。大连拉特激光技术开发有限公司研制的“JDT型导轨智能激光检测仪”，采用 CCD 作为接收器件，应用于单条导轨生产和安装过程中，测量精度达±0.01mm/m2。2 研究目的与意义 随着世界工业的迅猛发展，工业上对各项几何参数的测量精度要求越来越高。直线度

11、测量是几何量计量领域里最基本的计量项目之一，同样也是机械加工中常见而又重要的测量项目。各国工业研究部门和计量测试部门都投入了大量的资金和人力，致力于新的工艺技术，检测技术以及新兴器件的研究，以推动高科技产品的迅速商品化，提高竞争能力。在精密仪器制造与检测，大尺寸测量，大型仪器的安装与定位，军工产品制造等领域中有着广泛的应用。直线度作为形状误差的要素之一，直接影响仪器精度，性能，质量，在有些场合，甚至是决定因素。准直技术是大型几何参数与形位误差，如直线度，同轴度，平行度，垂直度等几何测量的基础。因此，高精度准直技术是计量测试的重要研究领域。 准直技术在生产生活中得到了极其广泛的应用。在

12、电梯导轨的安装方面，在测量大型平台的平面度，在大型机械零部件孔轴同轴度，同心度测量中，在检测大坝外部变形的大坝安全监测系统中以及其他许多工程检测系统中，准直技术都有着广泛的应用。因此，对准直技术的研究具有重要意义和广阔的前景。由于激光的高亮度，方向性好，单色性以及相干性好等特点激光准直仪在准直领域被广泛采用，建立起了牢固的地位。激光准直仪可以实现大范围，高精度，高分辨率的直线度测量。可以说激光准直技术已经成为科学和工业发展中不可缺少的技术。 在科学技术和工业生产需求的推动下，尤其是He-Ne激光器问世以来，激光准直仪器以其特有的大测量范围，高分辨力和搞测量精度等优点，在精密和超精密直

13、线度测量领域获得了广泛的应用。伴随着电子学，光学和物理光学的发展并与计算机相匹配，加之丰富的应用软件和各种附件，使激光准直仪不仅可以测量直线度等形位误差，而且还可以测量小角度等几何量。因此它是精密机械 工业不可缺少的测量工具。在科学技术和工业生产需求的推动下，尤其是He-Ne激光器问世以来，激光准直仪器以其特有的大测量范围，高分辨力和搞测量精度等优点，在精密和超精密直线度测量领域获得了广泛的应用。伴随着电子学，光学和物理光学的发展并与计算机相匹配，加之丰富的应用软件和各种附件，使激光准直仪不仅可以测量直线度等形位误差，而且还可以测量小角度等几何量。因此它是精密机械 工业不可

14、缺少的测量工具。 近年来，随着制造业的发展，对激光准直系统的性能要求越来越高，需要不断提高其精度，重复性及分辨率等。同时为了满足野外测量的需求，对准直仪的便携性与低功耗性及抗干扰性的要求也越来越高。3 研究现状激光准直直线度测量技术方面国内学者进行了大量的研究工作，并获得了一些成果。北京交通大学的匡翠芳等人提出的一种共路补偿激光漂移的直线度测量方法，将角锥棱镜作为位置敏感器，四象限探测器探测角锥棱镜逆向反射光所携带的直线度误差，二维PSD和透镜用来检测空气扰动所带来的角度漂移。通过补偿，空气扰动所带来的附加位置误差可以减少大约75%。四川大学光电科学技术系研制出一种新的基于离轴成像技

15、术的远距离大范围二维直线度测量仪。仪器的直线基准为整形的十字线激光光束，光电二位位置敏感元件采用互相正交的线阵CCD，所设计的带有狭缝的离轴光学系统，避开激光十字线光束的能量中心，以使线阵CCD输出信号不会出现饱和现象，从而扩大了测量距离，保证了测量精度。该仪器能在0-20m测量范围连续测量二维直线度，其直线度可达0-70mm，精度优于0.1mm。实际的多次室外环境测量表明，该仪器可适应不同天气环境下的野外作业。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的沙吉乐等人研制了基于视觉检测技术的大直径钢管直线度在线测量系统。该测量系统采用结构光型传感器测量钢管截面圆心坐标，通过多传感器坐标统一，从而评

16、定出钢管直线度误差的方法。该方案可以满足100%在线实时测量。由美国LLNL国家实验室和空军Wright航空研究所等单位合作研制成功的LODTM大型精密机床中的激光干涉测量系统所采用的是专门研制的SP125型双频激光干涉仪，其输出功率为15Mw,采用的碘稳频技术具有很高的频率稳定性，分辨力为0.635nm。美国Pneaumo Precision公司生产的HP5501双频激光测量系统，可测量X轴和Z轴两坐标，分辨力为0.01微米，绝对测量精度为0.1微米。美国斯坦福大学在激光准直的基础上成功的采用了原型真空管通道传输，电光源经菲涅尔棱镜成像接收，在3035m的距离内获得高于0.25mm

17、的准直精度。前苏联建立的测量直线度，平面度的国家专用基准装置在激光准直法的基础上利用光束锁定原理，在测量过程中对激光束的平行漂移进行补偿，并锁定获得了一条稳定的激光束直线基准。4 总结基于2D-PSD的导轨直线度测试仪，由PSD信号处理装置，移动装置，直线电机，激光发射器组成。由于当前对导轨等直线度的精密检测需求越来越大，所以对直线度测试仪的研究也变得越来越重要。该系统的测量误差满足要求，具有较高的推广与应用价值。参考文献：1 陈强华,吴健,殷纯永.双频激光远程直线度/同轴度测量系统J.中国激光,2002,7（29）625-630. 2 GLDDL直线电机选型手册

18、. 3 张龙兴.电子技术基础.第二版.北京: 高等教育出版社,2000. 8 洪志良.模拟集成电路分析与设计.北京: 科学出版社,2005. 9 杨金法,彭虎.非线性电子线路.北京:电子工业出版社,2003.4柳逊,阎娜,吴晓铁等.一种高性能运算放大器的设计.2005,22（6）: 28-31. 5张明述.运算放大器作电压比较器的实验探讨.实验室研究与探索.2005,24（2）: 39-41. 13王志功.集成电路设计与九天EDA.工具应用.南京:东南大学出版社,2004.&

19、#160;14朱正勇.半导体集成电路.北京: 清华大学出版社.2004. 6高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.北京: 电子工业出版社,2005. 16江冰.电子技术基础及应用.北京: 机械工业出版社,2001. 17王志功,沈永朝.集成电路设计基础.北京: 电子工业出版社,2004.7谭建成.电机控制专用集成电路.机械工业出版社,1999. 8UNITRODE公司资料.UC1717/2717/3717 Stepper Motor drive circuit. 9余

20、建国.基于单片机的步进电机加减速的控制方法J.农业网络信息.2006,（5）: 123-125. 22牛华,王建峰.基于Simulink 4的两相混合式直线步进电机动态仿真分析J.太原理工大学报,2003,34（1）: 23-25.10裴先登,罗春,黄浩.PSD高精度位置测量系统的研究与设计.华中科技大学学报,2004,32（2）: 7-9.11 Lucovsky G.Photoeffeets in nonuniformly irradiated pn junctions.J

21、 Appl Phys,1960,31(6): 1088-1095.12 Noorlog D J,Middlehoek S.Two dimensional position sensitive photodetector with high linearity made with standard I C.technology.Solid-state and Electron D

22、dRce5,1979,3(3):  75-82. 13 Wallmar J T.A new semiconductor photocell using lateral photoeffect.1987,Proce.IRE45:  474-483. 14 Christopher Saint,Judy Saint.IC Mask Design: Essential Layout&#

23、160;Techniques.New York:  McGraw-Hill Companies, 2003. Rail Straightness Tester Based on 2D-PSD DesignAbstract:Rail is widely used in elevator, railway and all kinds of mechanical equipments as conduc

24、ting and supporting elements. The rails straightness accuracy immediately impacts the moving stability, makes noise and shortens operation life.The system uses laser alignment technology and the 2D-PSD is used as the core for two-dimensional position information to measure the straightness of the rail, solving the large length