CN108627085B - 大型孔系激光对中装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了大型孔系激光对中装置和方法，属于大型孔系对中装置。由圆心检测装置，倾角微动平台，激光装置，宏动液压升降平台，X、Y微动平台组成，圆心检测装置放置在孔系内部，且各脚支与孔系内壁相切，倾角微动平台嵌入在圆心检测装置上表面的倾角凹槽内，宏动液压升降平台通过螺钉固定在倾角微动平台上表面，X、Y微动平台通过螺钉固定在宏动液压升降平台上表面，激光装置放置在X、Y微动平台中心，主要解决了以往激光对中装置中探测杆及其转动带来的误差，以及手动调节激装置高度的不便，使对中精度更高，操作更简便。
Description
技术领域
本发明属于大型孔系对中领域，尤指一种大型孔系激光对中。
背景技术
随着科技的进步，重工业也开始迅猛发展，例如核电、船舶、军工等。但是在这些行业快速发展的同时也面临着许多问题，主要问题是这些行业的机组朝着大体积的方向发展，而这些机构大多都是由轴系传递动力，大型机组的传动轴长度通常大于5m，直径大于500mm，如汽轮机、水轮机等机组，这些机组轴系包括众多孔系，将这些大型孔系准确对中是一项较复杂且耗时的工作，大型机械零部件安装困难在于建立长跨距的中心基准线，尤其在多个孔进行对中测量的时候更为重要，如果这些大型孔系没有精确对中，那么这就直接影响传动轴的对中精度，进而会使其在高速运转中会产生强烈震动损害机组的寿命，所以大型孔系的对中尤为重要。
现有的孔对孔的对中装置主要有拉钢丝对中装置、上假轴找中装置、望远镜对中装置和激光器对中装置，其中拉钢对中装置是利用标准钢丝作为测量基准线，在孔系两端面的中心固定一根平行于被测物体的钢丝，将钢丝调整到与基准孔同轴，用专用量具来测量钢丝与其它孔内径的间隙，在长距离测量时钢丝的自重会导致钢丝下垂加之人工读数都会带来误差，并且操作复杂；上假轴对中装置是利用假轴作为测量基准线，代替真转子对轴承座进行对中，在对中精度要求不高的情况下，若假轴能顺利从被测孔径中自由通过则认定为已对中，对中精度要求高的情况下，需要将假轴放入被测孔径中，再利用固定在表架上的百分表进行测量，该方法测量精度不高操作复杂，对假轴的加工参数要求较高且成本较高；望远镜对中装置是利用准直望远镜或准直仪等仪器组件的光轴作为测量基准线，将测量光靶中心调准至各个测量孔的截面中心处，用望远镜观测光靶中心和光轴中心的误差，采用光学目视对准法，但由于测量距离增加会导致成像模糊，大目视的主观误差，受望远镜自重及望远镜支架的影响使对中产生较大误差；激光对中装置中以激光对中仪使用最为广泛，其中德国普鲁辐激光对中仪较为成熟，但利用用探测杆转动进行三点法孔系轴线检测，且采用人工方法调整激光装置位置，这些都会给对中带来较大误差。
基于以上装置所存在的缺点，急需一种操作方便，对中精度高，制作成本低的对中装置。
发明内容
大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述的大型孔系激光对中装置具体由圆心检测装置，倾角微动平台，激光装置，宏动液压升降平台，X、Y微动平台组成，圆心检测装置安装在孔系内部，放置在孔系底端，倾角微动平台嵌入圆心检测装置上表面的倾角凹槽内，宏动升降平台与倾角微动平台通过螺钉紧固连接，放置在倾角微动平台上方，X、Y微动平台通过螺钉固定在宏动液压升降平台上表面，激光装置放置在X、Y微动平台中心。
所述的圆心检测装置由底座，圆柱形脚支Ⅰ，圆柱形脚支Ⅱ，伸缩臂，位移传感器组成，位移传感器由a1位移传感器、a2位移传感器、a3位移传感器、a4位移传感器、a5位移传感器和a6位移传感器组成，底座下表面四角都安装有与孔系内壁相切的圆柱形脚支Ⅰ，上表面设有倾角凹槽，凹槽中心安装有关节轴承，四角设有压电固定槽，伸缩臂由固定臂和伸出臂组成，一对伸缩臂的各固定臂通过转轴对称固定在底座两侧，各伸出臂首端连接有圆柱形脚支Ⅱ，圆柱形脚支Ⅰ外侧表面分别嵌入安装有同轴的a2位移传感器、a3位移传感器、a5位移传感器和a6位移传感器，圆柱形脚支Ⅱ只有面向激光发射器一侧表面分别嵌入安装有a1位移传感器、a4位移传感器。
所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述的倾角微动平台由倾角压电陶瓷，球型支撑柱，倾角支撑板组成，所述的四个倾角压电陶瓷均嵌入在压电固定槽中，球型支撑柱直接通过环氧树脂胶与压电陶瓷固定连接，倾角支撑板通过圆心检测装置的关节轴承与其连接，倾角支撑板上表面两端各开有一个沉孔，沉孔上建有相同口径的圆形凸台。
所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述的宏动液压升降装置由液压装置，可换支撑杆，光杆，宏动支撑板组成，液压装置由缸筒、活塞杆组成，缸筒通过螺钉固定在倾角支撑板上，活塞杆装配在缸筒内，可换支撑杆与活塞杆通过螺纹紧固连接，光杆通过倾角支撑板的沉孔固定，可以根据孔系内径大小调换光杆和可换支撑杆规格，宏动支撑板上表面开有与倾角支撑板相同间距的通孔，光杆通过通孔并将宏动支撑板固定，再通过可换支撑杆支撑配合液压装置控制其升降，宏动支撑板上表面还设有两个滚珠凹槽，两排滚珠嵌入在两个滚珠凹槽内。
所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述的X、Y微动平台由压电驱动装置，自锁装置，抬升装置，微动底座，复位装置组成，微动底座由固定底座和X向微动底座组成，两底座均成L型，X向微动底座竖直面上设有T型凹槽，横向表面上设有短T行凹槽，短T型凹槽下端面设有永磁铁固定沉孔Ⅰ，X向微动底座下端两侧内端面设有Y向滑槽，固定底座竖直面上设有工字型凹槽，工字型凹槽底端设有电磁铁固定沉孔，固定底座上设有两条滑动凹槽，四个自锁装置通过螺钉对称固定在X向微动底和固定底座内，其中一个固定在T型凹槽内、一个固定在短T型凹槽内，另外两个固定在工字型凹槽内，压电驱动装置上端与自锁装置贴合，下端与抬升装置连接，抬升装置安装在X向微动底座横向表面以及横向表面短T型凹槽上，复位装置安装在短T型凹槽和抬升装置之间。
所述的X，Y微动平台，其特征在于，所述的抬升装置由抬升底座，抬升楔块，固定楔块组成，抬升底座安放在短T型凹槽内，抬升底座一侧端面设有斜面，抬升底座上表面有两个螺纹孔，抬升楔块呈梯台型，且上表面开有两个支撑臂凹槽，支撑臂凹槽下表面开有螺纹孔，通过螺钉将抬升楔块与抬升底座固定，固定楔块呈直三棱柱型，且其通过螺钉固定在X向微动底座横向表面上，固定楔块与抬升楔块斜面角度均为45°。
所述的X、Y微动平台，其特征在于，所述的压电驱动装置由压电支撑板，驱动压电陶瓷，直圆型柔性铰链，下支撑块，支撑臂组成， 压电支撑板放置在工字型凹槽和T型凹槽内，且其上表面两端设有斜面，驱动压电陶瓷一端通过环氧树脂胶与压电支撑板的下表面贴合，另一端通过环氧树脂胶与直圆型柔性铰链一端面贴合，直圆型柔性铰链下端连接下支撑块，下支撑块由支撑块Ⅰ和支撑块Ⅱ组成，支撑块Ⅰ上表面开有两条支撑凹槽Ⅰ，支撑块Ⅱ与支撑块Ⅰ开有两条相同的支撑凹槽Ⅱ，且两侧还设有两个梯形自锁凹槽，下端面设有两个永磁铁固定沉孔Ⅱ，支撑块Ⅰ放置在X向微动底座上，支撑块Ⅱ放置在固定底座上，支撑臂由支撑臂Ⅰ和支撑臂Ⅱ组成，支撑臂Ⅰ一端通过转轴固定在支撑凹槽Ⅰ内，另一端通过转轴固定在两个支撑凹槽内，支撑臂Ⅱ一端通过转轴固定在支撑凹槽Ⅱ内，另一端通过转轴固定在X向微动底座上。
所述的X，Y微动平台，其特征在于，所述的自锁装置由自锁装置Ⅰ、自锁装置Ⅱ、自锁装置Ⅲ和自锁装置Ⅳ组成，自锁装置Ⅰ由自锁块，永磁铁，电磁铁，电磁铁底座，永磁铁底座组成，自锁块一端设有斜面，与压电支撑板相贴合以产生自锁效应，永磁铁底座通过螺钉固定在自锁块上，永磁铁镶嵌在永磁铁底座上，电磁铁底座通过螺钉固定在固定底座和X向微动底座上，电磁铁焊接在电磁铁底座上与永磁铁同轴，自锁装置Ⅱ、自锁装置Ⅲ和自锁装置Ⅳ结构同自锁装置Ⅰ。
所述的X，Y微动平台，其特征在于，所述的复位装置由复位底座，复位电磁铁，复位永磁铁组成，复位永磁铁由复位永磁铁Ⅰ和复位永磁铁Ⅱ组成，复位永磁铁Ⅰ镶嵌在永磁铁固定沉孔Ⅰ内，复位永磁铁Ⅱ镶嵌在永磁铁固定沉孔Ⅱ内，复位底座通过螺钉固定在抬升底座面向固定底座的侧端面上，复位电磁铁Ⅰ镶嵌在复位底座上，复位电磁铁Ⅱ镶嵌在电磁铁固定沉孔内，复位电磁铁与相邻复位永磁铁同轴。
所述的一种大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述的激光装置由激光筒，激光发射器，激光接收器，激光位移传感器组成，激光筒由激光筒Ⅰ和激光筒Ⅱ组成，激光发射器安装在激光筒Ⅰ内，激光接收器安装在激光筒Ⅱ内，激光筒的前后端面各镶嵌有一个激光位移传感器，且保证同一激光筒上的激光位移传感器同轴，激光筒前后端面各建有Y向导轨。
一种基于大型激光对中装置的方法，如下：
（1）根据孔系内径大小选配可换支撑杆，接着将两个激光对中装置放置在两个孔系内，使圆心检测装置各圆形脚支与孔系内壁相切，此时各圆形脚支上的位移传感器位于孔系内径的同心圆上，且底座上圆形脚支的四个位移传感器构建了一个与孔系切面相垂直的弦平面，此平面将作为各运动平台调整的基准面X2OZ2。
（2）结合位移传感器计算孔系内径，精确定位孔系轴线的空间位置，利用伸缩臂上的两个位移传感器和与其在同一切平面的底座上的两个位移传感器配合，构建其所在切平面的弦，其中a1位移传感器、a2位移传感器、a3位移传感器、a4位移传感器，任意两位移传感器可计算出两者间距离，a1位移传感器与a2位移传感器构成弦a，a2位移传感器与a3位移传感器构成弦b，a1位移传感器与a3位移传感器构成弦c，a3位移传感器与a4位移传感器构成弦d， a2位移传感器与a4位移传感器构成弦e，以弦b为基准定位其他弦的位置，利用弦a，弦b，弦c构成三角形abc，结合余弦定理计算弦a与弦b夹角角度，因此弦所在切平面的圆心就可以通过弦a和弦b的垂直平分线求得，再用同样的方法求弦b和弦d的夹角并计算切平面圆心进行误差找正，还可以通过改变伸缩臂的伸缩量来改变弦a和弦b的弦长进一步进行圆心找正。
（3）过所述圆心且平行于基准面沿轴方向的中心线的直线即为孔系轴线，进而对激光装置进行宏动调整。
（4）激光装置上安装有两个激光位移传感器，两个激光位移传感器在空间上构成一条直线即激光器定位直线，进而定位激光装置，激光器定位直线到基准面距离根据位移传感器和激光位移传感器可测，利用宏动液压抬升平台调整激光装置的位置，直至两激光装置距孔系轴线距离小于X、Y微动平台行程。
（5）激光装置应在基准面沿轴方向中心线与孔系轴线所构平面上，但由于宏动液压抬升平台调整过程中光杆以及倾角微动平台可能存在的晃动使装置产生偏移，所以当宏动液压抬升平台工作完成后，应用倾角微动平台修正激光装置存在的倾角，倾角调整时以倾角支撑板上表面为参考面X1OZ1，当参考面X1OZ1与基准面X2OZ2平行时认为倾角调整完毕，倾角依据激光位移传感器和构建基准面的位移传感器可测。
（6）通过倾角微动平台使激光器定位直线平行于过孔系轴线且与基准面垂直的平面，激光器定位直线与孔系轴线距离通过位移传感器测得，利用X、Y微动平台使激光器定位在孔系轴线所在的空间位置。
（7）激光接收器以激光发射器发射的激光光束为基准，通过双PSD技术确认自身相对激光发射器的角度偏差，进而找出两孔系的位置偏差。
本发明的优点：
1.本发明巧妙利用多个位移传感器对孔系直径进行快速准确测量，避免了以往利用探测杆进行三点法测量孔系直径时探测杆转动所带来的误差；
2.本发明利用多个压电驱动装置配合自锁效应实现了激光装置准确定位，提高了激光对中精度；
3.本发明利用液压装置对激光装置进行宏动调整，避免了手动调节激光装置位置所带来的误差。
附图说明
图1 本发明的装置结构示意图；
图2 本发明圆心检测装置的结构示意图；
图3本发明倾角微动平台示意图；
图4本发明宏动液压抬升平台示意图；
图5 本发明激光装置示意图；
图6 本发明激光装置剖视图；
图7 本发明X、Y微动平台示意图；
图8 本发明固定底座示意图；
图9 本发明X向微动底座示意图；
图10 本发明X向微动底座剖视图；
图11 本发明压电驱动装置示意图；
图12 本发明自锁装置示意图；
图13 本发明抬升装置示意图；
图14 本发明复位装置示意图；
图15 本发明原理示意图一；
图16 本发明原理示意图二。
附图标记说明：1-圆心检测装置，101-圆柱形脚支Ⅰ，102-圆柱形脚支Ⅱ，103-伸缩臂，103a-伸出臂，103b-固定臂，104-位移传感器，104a-a1位移传感器，104b-a2位移传感器，104c-a3位移传感器，104d-a4位移传感器，104e-a5位移传感器，104f-a6位移传感器，105-底座，105a-倾角凹槽，105b-压电固定槽，106-关节轴承，107-倾角凹槽，108-压电固定槽，2-倾角微动平台，201-倾角压电陶瓷，202-球形支撑柱，203-倾角支撑板，203a-光杆固定沉孔，203b-环形凸台，3-宏动液压升降平台，301-液压装置，301a-缸筒，301b-活塞杆，302-宏动支撑板，302a-滚珠凹槽，302b-滚珠，303-光杆，304-可换支撑杆，4-X、Y微动平台，401-压电驱动装置，401a-压电支撑板，401b-驱动压电陶瓷，401c-直圆型柔性铰链，401d-下支撑块，401d1-支撑块Ⅰ，401d2-支撑块Ⅱ，401d3-支撑凹槽Ⅰ，401d4-支撑凹槽Ⅱ，401d5-自锁凹槽，401d6-永磁铁固定凹槽Ⅱ，401e-支撑臂，401e1-支撑臂Ⅰ，401e2-支撑臂Ⅱ，402-自锁装置，402a-自锁装置Ⅰ，402b-自锁装置Ⅱ，402c-自锁装置Ⅲ，402d-自锁装置Ⅳ，402a1-自锁块，402a2-永磁铁，402a3-电磁铁，402a4-电磁铁底座，402a5-永磁铁底座，403-抬升装置，403a-抬升底座，403b-抬升楔块，403b1-支撑臂凹槽，403c-固定楔块，403c1-楔块固定沉孔，404-微动底座，404a-固定底座，404b-X向微动底座，404b1-T型凹槽，404b2-短T型凹槽，404a1-工字型凹槽，404a2-滑动凹槽，404b3-永磁铁固定沉孔Ⅰ，404b4-Y向滑槽，404b5-滑轨，404a3-电磁铁固定沉孔，405-复位装置，405a-复位底座，405b-复位电磁铁，405b1-复位电磁铁Ⅰ，405b2-复位电磁铁Ⅱ，405c-复位永磁铁，405c1-复位永磁铁Ⅰ，405c2-复位永磁铁Ⅱ，5-激光系统，501-激光筒，501a-激光筒Ⅰ，501a-激光筒Ⅱ，501c-Y向导轨，502-激光发射器，503-激光接收器，504-激光位移传感器，6-激光器定位直线，7-孔系轴线。
具体实施步骤
结合附图对本发明装置作进一步详细叙述，如下：
该装置由圆心检测装置1，倾角微动平台2，宏动液压升降平台3，X、Y微动平台4，激光装置5组成，以下分别从整体结构，圆心检测装置1，倾角微动平台2，宏动液压升降平台3，X、Y微动平台4，激光装置5进行详细阐述。
由图一所示的大型孔系激光对中装置的整体结构，具体由圆心检测装置1，倾角微动平台2，激光装置5，宏动液压升降平台3，X、Y微动平台4组成，圆心检测装置1与孔系内壁相切，放置在孔系底端，倾角微动平台2嵌入在圆心检测装置1的倾角凹槽105a内，宏动液压升降平台3与倾角微动平台2平行，通过螺钉紧固在倾角微动平台2上方，X、Y微动平台4与宏动液压升降平台3通过螺钉紧固连接，激光装置5放置在X、Y微动平台中心。
由图二所示的圆心检测装置1，具体由圆柱形脚支Ⅰ101，圆柱形脚支Ⅱ102，伸缩臂103，位移传感器104，底座105组成，位移传感器104由a1位移传感器104a、a2位移传感器104b、a3位移传感器104c、a4位移传感器104d、a5位移传感器104e和a6位移传感器104f组成，根据孔系的内径大小选配大小合适的可换支撑杆304，接着将激光装置5放置在两个孔系内，使圆心检测装置1的各圆形脚支与孔系内壁相切，底座105下表面四角都安装有与孔系内壁相切的圆柱形脚支Ⅰ101，上表面设有倾角凹槽107，倾角凹槽107中心安装有关节轴承106，用以连接圆心检测装置1和倾角微动平台2，伸缩臂103由固定臂103a和伸出臂103b组成，一对伸缩臂103的各固定臂103a通过转轴对称固定在底座105两侧，各伸出臂103b首端连接有一圆柱形脚支Ⅱ102，且保证圆柱形脚支Ⅰ101和圆柱形脚支Ⅱ102面向激光接收器503方向的端面在同一平面上，圆柱形脚支Ⅰ101外侧表面分别嵌入有同轴的a2位移传感器104b、a3位移传感器104c、a5位移传感器104e和a6位移传感器104f，圆柱形脚支Ⅱ102只有面向激光发射装置5一侧表面分别嵌入安装有a1位移传感器104a和a4位移传感器104d，伸缩臂103的作用是调整圆柱形脚支Ⅰ101和圆柱形Ⅱ102间的距离。
由图三所示的倾角微动平台2，具体由倾角压电陶瓷201，球型支撑柱202，倾角支撑板203组成，当圆心检测装置1工作完成后，倾角微动平台2主要工作是调整倾角支撑板203及其他部件的空间角度，从而调整激光定位直线6，使激光定位直线6与孔系轴线7平行，四个倾角压电陶瓷201均布在压电固定槽105b内。球型支撑柱202直接通过环氧树脂胶与倾角压电陶瓷201固定连接，倾角支撑板203通过圆心检测装置1的关节轴承106与其连接，其上表面两端各开有一个光杆固定沉孔203a，光杆固定沉孔203a上有相同孔径的环形凸台203b用以固定光杆303，倾角支撑板203中心处均布有四个螺纹孔，用于与宏动液压升降平台3连接，四个倾角压电陶瓷201及球型支撑柱202的同时作用，实现倾角支撑板204绕圆心检测装置上关节轴承106的微转动，进而带动倾角支撑板204的上部结构微转动实现倾角调整，具体的当大型激光对中装置在未工作状态下时，倾角压电陶瓷201未通电处于原长，倾角支撑板203未同时与四个倾角压电陶瓷201接触，当圆心检测装置1精确定位孔系轴线7后，对倾角压电陶瓷201进行通电，使四个倾角压电201伸长并同时与倾角支撑板203接触，再以基准面X2OZ2为基准，给予四个倾角压电陶瓷201不同的电信号，使其能保持与倾角支撑板203接触的同时协调地伸缩配合，从而带动倾角支撑板203及其他组件实现微转动，进而实现激光定位直线6与孔系轴线7平行。
由图四所示的宏动液压升降平台3，具体由液压装置301，宏动支撑板302，光杆303，可换支撑杆304组成，当圆心检测装置1精确定位孔系轴线7后，宏动液压升降平台3开始工作，以孔系轴线7为基准，调整激光装置5和与孔系轴线7间距离，具体的，液压装置301由缸筒301a、活塞杆301b组成，主要为宏动液压升降平台3提供动力，并且起到支撑作用，缸筒301a由四个螺钉固定在倾角支撑板203的中心处，活塞杆301b装配在缸筒301a内，可换支撑杆304与活塞杆301b通过螺纹连接，根据孔系直径的大小在大型孔系激光对中装置放入孔系前选择可换支撑杆304的规格，从而使宏动液压装置3的行程能使X、Y微动平台4达到正常工作行程内，光杆303通过倾角支撑板203上的光杆固定沉孔203a与环形凸台203b共同固定，且可以根据孔系内径大小调换光杆303规格，宏动支撑板302上表面开有与倾角支撑板203相同间距的通孔，光杆303通过其中并将宏动支撑板302固定，再通过可换支撑杆304支撑配合液压装置301控制其沿光杆303的轴向运动。
由图五、图六所示的激光装置5，具体由激光筒501，激光发射器502，激光接收器503，激光位移传感器504组成，激光筒501由激光筒Ⅰ501a和激光筒Ⅱ501b组成，激光发射器502安装在激光筒Ⅰ501a内，激光接收器503安装在激光筒Ⅱ501b内，激光筒501沿轴向的前后端面各镶嵌有一个激光位移传感器504，用于定位激光装置5，且保证同一激光筒501上的激光位移传感器504同轴，激光筒501前后端面各建有Y向导轨501c。
由图七、图八、图九、图十、图十一、图十二、图十三、图十四所示的X、Y微动平台4，具体由压电驱动装置401，自锁装置，402，抬升装置403，微动底座404，复位装置405组成，当宏动液压升降平台3工作完成后，X、Y微动平台4以孔系轴线7为基准，继续调整激光定位直线6与孔系轴线7间距离，微动底座404具体由固定底座404a和X向微动底座404b组成，两底座均成L型，X向微动底座404b竖直面上开有T型凹槽404b1，横向表面上开有短T行凹槽404b2，短T型凹槽下端面设有永磁铁固定沉孔Ⅰ404b3，X向微动底座下端两侧内端面设有Y向滑槽404b4，固定底座404a竖直面上开有工字型凹槽404a1，工字型凹槽404a1底端设有电磁铁固定沉孔404a2，固定底座404a上设有两条滑动凹槽404a3，从而使建有两条滑轨404b5的X向微动底座404b可以沿滑动凹槽404a3实现X向平动，四个自锁装置402通过螺钉对称固定在X向微动底404b和固定底座404a内，其中一个固定在T型凹槽404b1内，一个固定在短T型凹槽404b2内，另外两个固定在工字型凹槽404a1内，用以实现控制装置的驱动和驻停，压电驱动装置401安放在X向微动底座404bT型凹槽404b1和固定底座404a工字型凹槽404a1内，用以给系统提供动力，其上端与自锁装置402贴合，下端与抬升装置403连接，抬升装置403安装在X向微动底座404b的横向表面以及横向表面短T型凹槽404b2内，复位装置405安装在X向微动底座404b短T型凹槽404b2和抬升装置403之间用以实现自锁装置402以及压电驱动装置401的复位，使系统能持续工作。
抬升装置403具体由抬升底座403a，抬升楔块403b，固定楔块组成403c，抬升装置403主要作用是控制激光装置5实现Y向位移，抬升底座403a安放在X向微动底座404b短T型凹槽404b2内，抬升底座403a一侧端面还设有斜面，目的是与自锁装置402配合产生自锁效应，抬升底座403a上表面开有两个螺纹孔，抬升楔块403b呈梯台形，且上表面开有两个支撑臂凹槽403b1，用于与压电驱动装置401连接，支撑臂凹槽403b1下表面开有螺纹孔，通过螺钉将抬升楔块403b与抬升底座403a固定，固定楔块403c呈直三棱柱形，且螺钉通过楔块固定沉孔403c1将固定楔块固定在X向微动底座404b横向表面上，固定楔块403c与抬升楔块斜403b面角度均为45°。
压电驱动装置401具体由压电支撑板401a，驱动压电陶瓷401b，直圆型柔性铰链401c，下支撑块401d，支撑臂401e组成，压电驱动装置401主要作用是为实现X、Y微动平台4的X和Y向位移并提供动力，压电支撑板401a放置在固定底座404a和X向微动底座404b内，且其上表面两端设有斜面，驱动压电陶瓷401b一端通过环氧树脂胶与压电支撑板401a下表面贴合，另一端通过环氧树脂胶与直圆型柔性铰链401c的一端面贴合，直圆型柔性铰链401c下端连接下支撑块401d，下支撑块401d由支撑块Ⅰ401d1和支撑块Ⅱ401d2组成，支撑块Ⅰ401d1上表面设有两条支撑凹槽Ⅰ401d3，支撑块Ⅱ401d2与支撑块Ⅰ401d1设有两条相同的支撑凹槽Ⅱ401d4，且下方还设有两个梯形自锁凹槽401d5，用于与自锁装置402产生自锁效应，支撑块Ⅱ401d2下端面设有两个永磁铁固定沉孔Ⅱ401d6，支撑块Ⅰ401d1放置在X向微动底座404b上，支撑块Ⅱ403d2放置在固定底座404a上，支撑臂401e由支撑臂Ⅰ401e1和支撑臂Ⅱ401e2组成，支撑臂Ⅰ401e1一端通过转轴固定在支撑块Ⅰ401d1的支撑凹槽Ⅰ401d3内，另一端通过转轴固定在两个支撑臂凹槽403b1，支撑臂Ⅱ401e2一端通过转轴固定在支撑块Ⅱ401d2的支撑凹槽Ⅱ401d4内，另一端通过转轴固定在X向微动底座上404b。
自锁装置402具体由自锁装置Ⅰ402a， 自锁装置Ⅱ402b，自锁装置Ⅲ402c和自锁装置Ⅳ402d组成，自锁装置Ⅰ由自锁块402a1，永磁铁402a2， 电磁铁402a3， 电磁铁底座402a4，永磁铁底座402a5组成，自锁装置402的主要作用是精确控制X、Y微动平台4的X向和Y向位移量，自锁块402a1一端设有斜面，与压电支撑板401a相贴合以产生自锁效应，永磁铁底座402a5通过螺钉固定在自锁块402a1上，永磁铁402a2镶嵌在永磁铁底座402a5上，电磁铁底座402a4通过螺钉固定在固定底座404a和X向微动底座404b上，电磁铁402a3焊接在电磁铁底座402a4上与永磁铁402a2同轴，当改变通入电磁铁402a3内电流方向时，电磁铁402a3磁极发生变化，从而使其与永磁铁402a2间产生吸引力或排斥力，使自锁块402a1向后运动解除自锁效应或向前运动产生自锁效应。
复位装置405具体由复位底座405a，复位电磁铁405b，复位永磁铁405c组成，复位永磁铁405c由复位永磁铁Ⅰ405c1从和复位永磁铁Ⅱ402c2组成，复位永磁铁Ⅰ405c1镶嵌在永磁铁固定沉孔Ⅰ404b3内，复位永磁铁Ⅱ405c2固定沉孔Ⅱ401d6内，复位底座405a通过螺钉固定在抬升底座403a面向固定底座404a的侧端面上，复位电磁铁405b由复位电磁铁Ⅰ405b1和复位电磁铁Ⅱ405b2组成，复位电磁铁Ⅰ405b1镶嵌在复位底座405a上，复位电磁铁Ⅱ405b2镶嵌在电磁铁固定沉孔404a3内，复位电磁铁405b与相邻复位永磁铁405c同轴，当需要复位时对复位电磁铁通入电流使复位电磁铁Ⅰ405b1与复位永磁铁Ⅰ405c1间和复位电磁铁Ⅱ405b2与复位永磁铁Ⅱ405c2间分别产生排斥力，配合自锁装置402使压电驱动装置401复位。
如图十五所示的原理图一，包括X向微位移、Y向微位移和复位过程的实现过程，具体的：
1.X、Y微动平台X向微位移的实现过程，首先固定底座404a内的驱动压电401b开始工作，驱动压电401b接收电信号，对一端的压电支撑板401a和另一端的直圆型柔性铰链401c施力，此时压电支撑板401a与自锁装置Ⅲ402c相贴合的斜面满足自锁条件，压电支撑板401a与自锁装置Ⅲ402c产生自锁效应，因此驱动压电401b只能带动直圆型柔性铰链401c、支撑块Ⅱ401d2和支撑臂Ⅱ401e2向Y负向运动，同时支撑臂Ⅱ401d2推动X向微动底座404b与激光装置5沿滑动凹槽404a2实现X向位移，下支撑块401d向Y负向运动的同时，与其贴合的自锁装置Ⅳ402d内的电磁铁402a3通入电流与永磁铁402a2间产生斥力，推动自锁块402a1向下撑臂块401d运动从而继续保持贴合状态，X向微动底座404b与激光装置5完成位移后，与下支撑块401d贴合的自锁装置Ⅳ402d内的电磁铁402a3断电，驱动压电401b断电，驱动压电401b开始收缩，由于下支撑块401d以及与其贴合的自锁装置Ⅳ402d产生的自锁效应限制驱动压电401b向Y正向位移，所以压电驱动装置401收缩时带动压电支撑板401a产生向Y负向的位移，与压电支撑板401a贴合的自锁装置Ⅲ401c内的电磁铁402a3通入电流与永磁铁402a2间产生斥力，推动自锁块402a1向压电支撑板401a运动继续保持贴合状态，单向X位移完成。
2.X、Y微动底座4的Y向位移实现过程，首先X向微动底座401内的驱动压电401b开始工作，驱动压电401b接收电信号，对一端的压电支撑板401a和和另一端的直圆型柔性铰链401c施力，此时压电支撑板401a与自锁装置Ⅰ402a相贴合的斜面满足自锁条件，压电支撑板401a与自锁装置Ⅰ402a产生自锁效应，因此驱动压电401b只能带动直圆型柔性铰链401c、支撑块Ⅰ401d1和支撑臂Ⅰ401e1向Y负向运动，同时支撑臂Ⅰ401e1推动抬升底座403a与抬升楔块403b进行X向位移，进而抬升楔块403b配合固定楔块403c推动激光装置5沿Y向滑槽404b4实现Y向位移，接着与抬升底座403a贴合的自锁装置Ⅱ402b的电磁铁402a3断电，驱动压电401b断电，驱动压电401b开始收缩，由于抬升底座403a以及与其贴合的自锁装置Ⅱ402b产生的自锁效应限制驱动压电401b向Y正向位移，所以驱动压电装置401收缩时带动压电支撑板401a向Y负向位移，与压电支撑板401a贴合的自锁装置Ⅰ402a内的电磁铁402a3通入电流和永磁铁402a2间产生斥力，推动自锁块402a1向压电支撑板401a运动继续保持贴合状态，单向Y位移完成。
3.X、Y微动底座4复位实现过程，当复位时所有的自锁装置402内的电磁铁402a3都通入电流，使其与相邻永磁铁402a2产生吸力，带动自锁块402a1向电磁铁402a3方向运动，解除相应自锁效应，接着复位电磁铁Ⅰ405b1内通入电流，使其与相邻复位永磁铁Ⅰ405c1间产生斥力，从而使抬升底座403a与抬升楔块403b向X负向运动，通过支撑臂Ⅰ401e1带动直圆型柔性铰链401c、压电支撑板401a向Y正向运动，直至压电支撑板401a再次与自锁装置402贴合，激光装置5回落实现Y向复位，同时复位电磁铁Ⅱ405b2内通入电流，使其与相邻复位永磁铁Ⅱ405c2间产生斥力，从而使支撑块Ⅱ401d2带动直圆型柔性铰链401c、驱动压电401b、压电支撑板401a向Y正向运动，同时带动支撑臂Ⅱ401e2牵连X向微动底座404b及激光装置5进行X向复位，直至压电支撑板401a再次与自锁装置402贴合，X向复位完成。
由图十六所示的原理示意图二，圆柱形脚支Ⅰ101上的四个位移传感器104的作用是构建孔系内的一个垂直于截面的弦平面，此平面将作为各运动平台调整的基准面X2OZ2，圆柱形脚支Ⅰ101和圆柱形脚支Ⅱ102上在同一平面的四个位移传感器104的作用是构建其所在截面的多条弦，其中a1位移传感器104a、a2位移传感器104b、a3位移传感器104c、a4位移传感器104d，任意两位移传感器可计算出两者间距离，a1位移传感器104a与a2位移传感器104b构成弦a，a2位移传感器104b与a3位移传感器104c构成弦b，a1位移传感器104a与a3位移传感器104c构成弦c，a3位移传感器104c与a4位移传感器104d构成弦d， a2位移传感器104b与a4位移传感器104d构成弦e，以弦b为基准定位其他弦的位置，利用弦a，弦b，弦c构成三角形abc，结合余弦定理计算弦a与弦b夹角角度，因此弦所在切平面的圆心就可以通过弦a和弦b的垂直平分线求得，再用同样的方法求弦b和弦d的夹角并计算切平面圆心进行误差找正，还可以通过改变伸缩臂的伸缩量来改变弦a和弦b的弦长进一步进行圆心找正，以实现圆心精确定位，过所述圆心且平行于基准面X2OZ2沿轴向方向的中心线的直线即为孔系轴线7，进而利用宏动液压升降平台3对激光系统5进行宏动调整，根据所述基准面X2OZ2，其为轴对称图形，激光装置5上都安装有两个激光位移传感器504，这两个激光位移传感器504在空间上构建一条直线即为激光器定位直线6，进而定位激光装置5，激光器定位直线6到基准面X2OZ2距离依据位移传感器104和激光位移传感器504可测，利用宏动液压升降平台3调整激光装置的位置，直至激光装置5距孔系轴线7距离小于X，Y微动平台4的行程，理论上，激光装置5应在基准面X2OZ2沿轴方向中心线与孔系轴线7所构平面上，但由于宏动液压升降平台3调整过程中光杆303可能存在的晃动以及倾角微动平台2的晃动使激光接收器503和激光发射器502产生偏移，所以当宏动液压升降平台3工作完后，应用倾角微动平台2修正激光系统5存在的倾角，倾角调整时以倾角支撑板上表面为参考面X1OZ1，当参考面X1OZ1与基准面X2OZ2平行时认为倾角调整完毕，倾角依据激光位移传感器504和构建基准面的位移传感器104可测，通过倾角微动平台2使激光器定位直线6平行于过孔系轴线7且与基准面X2OZ2垂直的平面，激光器定位直线6与孔系轴线7距离通过激光位移传感器504和位移传感器104可测，利用X、Y微动平台4使激光系统5定位在孔系轴线7所在空间位置。
Claims (9)
1.一种大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述大型孔系激光对中装置具体由圆心检测装置，倾角微动平台，激光装置，宏动液压升降平台，X、Y微动平台组成，圆心检测装置安装在孔系内部，放置在孔系底端，倾角微动平台嵌入圆心检测装置上表面的倾角凹槽内，宏动升降平台与倾角微动平台通过螺钉紧固连接，放置在倾角微动平台上方，X、Y微动平台通过螺钉固定在宏动液压升降平台上表面，激光装置放置在X、Y微动平台中心；所述圆心检测装置由底座，圆柱形脚支Ⅰ，圆柱形脚支Ⅱ，伸缩臂，位移传感器组成，位移传感器由a1位移传感器、a2位移传感器、a3位移传感器、a4位移传感器、a5位移传感器和a6位移传感器组成，底座下表面四角都安装有与孔系内壁相切的圆柱形脚支Ⅰ，上表面设有倾角凹槽，凹槽中心安装有关节轴承，四角设有压电固定槽，伸缩臂由固定臂和伸出臂组成，一对伸缩臂的各固定臂通过转轴对称固定在底座两侧，各伸出臂首端连接有圆柱形脚支Ⅱ，圆柱形脚支Ⅰ外侧表面分别嵌入安装有同轴的a2位移传感器、a3位移传感器、a5位移传感器和a6位移传感器，圆柱形脚支Ⅱ只有面向激光发射器一侧表面分别嵌入安装有a1位移传感器、a4位移传感器；
所述X、Y微动平台由压电驱动装置，自锁装置，抬升装置，微动底座，复位装置组成，微动底座由固定底座和X向微动底座组成，两底座均成L型，X向微动底座竖直面上设有T型凹槽，横向表面上设有短T行凹槽，短T型凹槽下端面设有永磁铁固定沉孔Ⅰ，X向微动底座下端两侧内端面设有Y向滑槽，固定底座竖直面上设有工字型凹槽，工字型凹槽底端设有电磁铁固定沉孔，固定底座上设有两条滑动凹槽，四个自锁装置通过螺钉对称固定在X向微动底座和固定底座内，其中一个固定在T型凹槽内、一个固定在短T型凹槽内，另外两个固定在工字型凹槽内，压电驱动装置上端与自锁装置贴合,下端与抬升装置连接，抬升装置安装在X向微动底座横向表面以及横向表面短T型凹槽上，复位装置安装在短T型凹槽和抬升装置之间。
2.根据权利要求1所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述倾角微动平台由倾角压电陶瓷，球型支撑柱，倾角支撑板组成，所述倾角压电陶瓷为四个，四个所述倾角压电陶瓷均嵌入在压电固定槽中，球型支撑柱直接通过环氧树脂胶与压电陶瓷固定连接，倾角支撑板通过圆心检测装置的关节轴承与其连接，倾角支撑板上表面两端各开有一个沉孔，沉孔上建有相同口径的圆形凸台。
3.根据权利要求1所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述宏动液压升降装置由液压装置，可换支撑杆，光杆，宏动支撑板组成，液压装置由缸筒、活塞杆组成，缸筒通过螺钉固定在倾角支撑板上，活塞杆装配在缸筒内，可换支撑杆与活塞杆通过螺纹紧固连接，光杆通过倾角支撑板的沉孔固定，可以根据孔系内径大小调换光杆和可换支撑杆规格，宏动支撑板上表面开有与倾角支撑板相同间距的通孔，光杆通过通孔并将宏动支撑板固定，再通过可换支撑杆支撑配合液压装置控制其升降，宏动支撑板上表面还设有两个滚珠凹槽，两排滚珠嵌入在两个滚珠凹槽内。
4.根据权利要求1所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述抬升装置由抬升底座，抬升楔块，固定楔块组成，抬升底座安放在短T型凹槽内，抬升底座一侧端面设有斜面，抬升底座上表面有两个螺纹孔，抬升楔块呈梯台型，且上表面开有两个支撑臂凹槽，支撑臂凹槽下表面开有螺纹孔，通过螺钉将抬升楔块与抬升底座固定，固定楔块呈直三棱柱型，且其通过螺钉固定在X向微动底座横向表面上，固定楔块与抬升楔块斜面角度均为45 °。
5.根据权利要求1所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述压电驱动装置由压电支撑板，驱动压电陶瓷，直圆型柔性铰链，下支撑块，支撑臂组成，压电支撑板放置在工字型凹槽和T型凹槽内，且其上表面两端设有斜面，驱动压电陶瓷一端通过环氧树脂胶与压电支撑板的下表面贴合，另一端通过环氧树脂胶与直圆型柔性铰链一端面贴合，直圆型柔性铰链下端连接下支撑块，下支撑块由支撑块Ⅰ和支撑块Ⅱ组成，支撑块Ⅰ上表面开有两条支撑凹槽Ⅰ，支撑块Ⅱ与支撑块Ⅰ开有两条相同的支撑凹槽Ⅱ，且两侧还设有两个梯形自锁凹槽，下端面设有两个永磁铁固定沉孔Ⅱ，支撑块Ⅰ放置在X向微动底座上，支撑块Ⅱ放置在固定底座上，支撑臂由支撑臂Ⅰ和支撑臂Ⅱ组成，支撑臂Ⅰ一端通过转轴固定在支撑凹槽Ⅰ内，另一端通过转轴固定在两个支撑凹槽内，支撑臂Ⅱ一端通过转轴固定在支撑凹槽Ⅱ内，另一端通过转轴固定在X向微动底座上。
6.根据权利要求1所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述自锁装置由自锁装置Ⅰ、自锁装置Ⅱ、自锁装置Ⅲ和自锁装置Ⅳ组成，自锁装置Ⅰ由自锁块，永磁铁，电磁铁，电磁铁底座，永磁铁底座组成，自锁块一端设有斜面，与压电支撑板相贴合以产生自锁效应，永磁铁底座通过螺钉固定在自锁块上，永磁铁镶嵌在永磁铁底座上，电磁铁底座通过螺钉固定在固定底座和X向微动底座上，电磁铁焊接在电磁铁底座上与永磁铁同轴，自锁装置Ⅱ、自锁装置Ⅲ和自锁装置Ⅳ结构同自锁装置Ⅰ。
7.根据权利要求1所述的大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述复位装置由复位底座，复位电磁铁，复位永磁铁组成，复位永磁铁由复位永磁铁Ⅰ和复位永磁铁Ⅱ组成，复位永磁铁Ⅰ镶嵌在永磁铁固定沉孔Ⅰ内，复位永磁铁Ⅱ镶嵌在永磁铁固定沉孔Ⅱ内，复位底座通过螺钉固定在抬升底座面向固定底座的侧端面上，复位电磁铁Ⅰ镶嵌在复位底座上，复位电磁铁Ⅱ镶嵌在电磁铁固定沉孔内，复位电磁铁与相邻复位永磁铁同轴。
8.根据权利要求1所述的一种大型孔系激光对中装置，其特征在于，所述激光装置由激光筒，激光发射器，激光接收器，激光位移传感器组成，激光筒由激光筒Ⅰ和激光筒Ⅱ组成，激光发射器安装在激光筒Ⅰ内，激光接收器安装在激光筒Ⅱ内，激光筒的前后端面各镶嵌有一个激光位移传感器，且保证同一激光筒上的激光位移传感器同轴，激光筒前后端面各建有Y向导轨。
9.使用根据权利要求1-8中任一项所述的大型孔系激光对中装置的方法，如下：
①根据孔系内径大小选配可换支撑杆，接着将两个激光对中装置放置在两个孔系内，使圆心检测装置各圆形脚支与孔系内壁相切，此时各圆形脚支上的位移传感器位于孔系内径的同心圆上，且底座上圆形脚支的四个位移传感器构建了一个与孔系切面相垂直的弦平面，此平面将作为各运动平台调整的基准面X2OZ2；
②结合位移传感器计算孔系内径，精确定位孔系轴线的空间位置，利用伸缩臂上的两个位移传感器和与其在同一切平面的底座上的两个位移传感器配合，构建其所在切平面的弦，其中a1位移传感器、a2位移传感器、a3位移传感器、a4位移传感器，任意两位移传感器可计算出两者间距离，a1位移传感器与a2位移传感器构成弦a，a2位移传感器与a3位移传感器构成弦b，a1位移传感器与a3位移传感器构成弦c，a3位移传感器与a4位移传感器构成弦d,a2位移传感器与a4位移传感器构成弦e，以弦b为基准定位其他弦的位置，利用弦a，弦b，弦c构成三角形abc，结合余弦定理计算弦a与弦b夹角角度，因此弦所在切平面的圆心就可以通过弦a和弦b的垂直平分线求得，再用同样的方法求弦b和弦d的夹角并计算切平面圆心进行误差找正，还可以通过改变伸缩臂的伸缩量来改变弦a和弦b的弦长进一步进行圆心找正；
③过所述圆心且平行于基准面沿轴方向的中心线的直线即为孔系轴线，进而对激光装置进行宏动调整；
④激光装置上安装有两个激光位移传感器，两个激光位移传感器在空间上构成一条直线即激光器定位直线，进而定位激光装置，激光器定位直线到基准面距离根据位移传感器和激光位移传感器可测，利用宏动液压抬升平台调整激光装置的位置，直至两激光装置距孔系轴线距离小于X、Y微动平台行程；
⑤激光装置应在基准面沿轴方向中心线与孔系轴线所构平面上，但由于宏动液压抬升平台调整过程中光杆以及倾角微动平台可能存在的晃动使装置产生偏移，所以当宏动液压抬升平台工作完成后，应用倾角微动平台修正激光装置存在的倾角，倾角调整时以倾角支撑板上表面为参考面X1OZ1，当参考面X1OZ1与基准面X2OZ2平行时认为倾角调整完毕，倾角依据激光位移传感器和构建基准面的位移传感器可测；
⑥通过倾角微动平台使激光器定位直线平行于过孔系轴线且与基准面垂直的平面，激光器定位直线与孔系轴线距离通过位移传感器测得，利用X、Y微动平台使激光器定位在孔系轴线所在的空间位置；
⑦激光接收器以激光发射器发射的激光光束为基准，通过双PSD技术确认自身相对激光发射器的角度偏差，进而找出两孔系的位置偏差。
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