一種光學(xué)自準(zhǔn)直儀快速對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)的新方法

唐松，方明，何光武

(中國(guó)航天南京晨光計(jì)量檢測(cè)中心，江蘇南京210006)

0 引言

在大型機(jī)械制造領(lǐng)域，各種轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用是非常普遍的，如大型機(jī)床、雷達(dá)測(cè)試設(shè)備、單軸或多軸仿真測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等，這些設(shè)備的轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差每年都需要專門的幾何量校準(zhǔn)或檢定機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

角度計(jì)量是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分。隨著激光干涉測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差的校準(zhǔn)和檢測(cè)已經(jīng)進(jìn)入了自動(dòng)化、數(shù)字化時(shí)代［1］。但由于測(cè)試環(huán)境和條件的限制，尤其是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的各種嚴(yán)苛要求限制，目前測(cè)試人員仍然主要采用光學(xué)自準(zhǔn)直儀與多面棱體相配合的方式，對(duì)各種大型設(shè)備的轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差進(jìn)行校準(zhǔn)或檢定。

1 光學(xué)自準(zhǔn)直儀對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)的原理

采用光學(xué)自準(zhǔn)直儀與多面棱體配合，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差進(jìn)行檢測(cè)的原理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差檢測(cè)示意圖

首先將多面棱體安放在轉(zhuǎn)臺(tái)平面上，使多面棱體與轉(zhuǎn)臺(tái)基本處于同心位置;然后調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀的安放位置，使自準(zhǔn)直儀鏡頭軸線穿過(guò)棱體工作面的中心，并基本垂直于與棱體的工作面，測(cè)試人員即利用測(cè)微器手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，讀數(shù)。操作人員即可開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差的檢測(cè)［2］。

光學(xué)自準(zhǔn)直儀的對(duì)準(zhǔn)，即經(jīng)過(guò)調(diào)整使光學(xué)自準(zhǔn)直儀的鏡頭軸線穿過(guò)棱體工作面的中心，并基本垂直于與棱體的工作面。這樣，自準(zhǔn)直儀內(nèi)燈泡所發(fā)出的光經(jīng)過(guò)棱體工作面反射后基本沿原路返回，經(jīng)物鏡后仍成像在分劃板上，可在自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)中觀察到。如果棱體工作面不垂直于鏡頭軸線，而是偏過(guò)一個(gè)小角度θ，如圖2所示，則反射光線與入射光線成2θ 角返回，若2θ 角過(guò)大則沒(méi)有反射光線通過(guò)物鏡，在自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)中就無(wú)法觀察到目標(biāo)成像。

圖2 自準(zhǔn)直儀對(duì)準(zhǔn)光路圖

圖中L為測(cè)量距離，一般遠(yuǎn)大于自準(zhǔn)直儀物鏡直徑d或棱體工作面高度，則

2 目前的對(duì)準(zhǔn)方法以及所存在的困難

目前，測(cè)試人員在對(duì)準(zhǔn)時(shí)采用目視觀察法。先利用水平儀將多面棱體和光學(xué)自準(zhǔn)直儀的安裝平面調(diào)整至基本平行，然后采用目視的方式使自準(zhǔn)直儀與多面棱體基本處于同一高度后，再由測(cè)試人員調(diào)整自準(zhǔn)直儀的鏡頭方向，人眼在自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)中觀察到目標(biāo)成像，再利用測(cè)微器手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、讀數(shù)［3］。

從式(1)可以看出，測(cè)量距離L越大，θ 越小，則對(duì)棱體工作面與自準(zhǔn)直儀鏡頭軸線的垂直度要求越高，即手動(dòng)調(diào)整難度越大。實(shí)際發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)量距離較小(≤1 m)時(shí)，熟練的測(cè)試人員采用目視觀察法一般10～20 min 即可完成對(duì)準(zhǔn)。而當(dāng)測(cè)量距離大于1 m，即使是熟練的操作工人一般也需要30 ～60 min 才能完成對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)測(cè)量距離大于3 m 或者多面棱體的安裝面平面度較差時(shí)，對(duì)準(zhǔn)所需的時(shí)間甚至?xí)_(dá)到2 小時(shí)以上。在如圖3所示的測(cè)量條件下，需要使用五棱鏡將出射光線轉(zhuǎn)過(guò)90°以后投射到多面棱體工作面上，實(shí)驗(yàn)證明這種情況下利用目視觀察法基本上不可能完成對(duì)準(zhǔn)。

圖3 利用五棱鏡轉(zhuǎn)向進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)示意圖

目視觀察法的缺點(diǎn)在于不適用于長(zhǎng)距離對(duì)準(zhǔn)，且需要熟練的測(cè)試人員根據(jù)豐富經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，只能以從目鏡中觀測(cè)到目標(biāo)成像為依據(jù)，整個(gè)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程較為抽象不易掌握。熟練程度較差的測(cè)試人員所需要的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間會(huì)大大增加，甚至幾乎無(wú)法正確對(duì)準(zhǔn)。在檢測(cè)條件較為惡劣或需要長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，采用目視觀察法對(duì)準(zhǔn)會(huì)大大降低檢測(cè)效率甚至因無(wú)法對(duì)準(zhǔn)而導(dǎo)致檢測(cè)失敗。

3 利用激光快速對(duì)準(zhǔn)的新方法

在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，我們逐漸摸索出一種利用激光對(duì)準(zhǔn)的方法，可完全解決目前對(duì)準(zhǔn)方法所存在的問(wèn)題。新方法利用激光的特性，當(dāng)激光沿自準(zhǔn)直儀鏡頭軸線投射到棱體工作面后，若反射回來(lái)的光線與出射光線基本重合，則說(shuō)明自準(zhǔn)直儀鏡頭軸線垂直于棱體工作面，即完成對(duì)準(zhǔn)。

新方法需制作一個(gè)對(duì)準(zhǔn)套筒，由激光組件裝卡在套筒工裝上構(gòu)成，從套筒邊緣引出激光器導(dǎo)線，由電池盒供電，如圖4所示。

圖4 套筒工裝設(shè)計(jì)示意圖

采用新方法對(duì)準(zhǔn)的步驟如下:①利用水平儀使多面棱體安裝面與自準(zhǔn)直儀安放平面基本平行(利用五棱鏡轉(zhuǎn)向的情況下，需調(diào)整到基本垂直);②將對(duì)準(zhǔn)套筒與自準(zhǔn)直儀鏡頭連接，激光組件控制器與導(dǎo)線連接;③打開(kāi)激光組件控制器開(kāi)關(guān)，調(diào)整自準(zhǔn)直儀和棱體的位置，當(dāng)激光投射在棱體工作面上的光點(diǎn)位于中心，且由棱體工作面反射到對(duì)準(zhǔn)套筒靶面上的光點(diǎn)與出射光點(diǎn)基本重合時(shí)，即說(shuō)明對(duì)準(zhǔn)完成;④將激光組件控制器與導(dǎo)線斷開(kāi)連接，再將對(duì)準(zhǔn)套筒拔出，測(cè)試人員不需要或只需要對(duì)自準(zhǔn)直儀稍稍調(diào)整，即可在自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)中觀察到目標(biāo)成像，再利用測(cè)微器手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、讀數(shù)。

轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差校準(zhǔn)測(cè)試中，測(cè)量不確定度由光學(xué)自準(zhǔn)直儀和多面棱體的測(cè)量不確定度所決定，與所采用的對(duì)準(zhǔn)方法無(wú)關(guān)。新的對(duì)準(zhǔn)方法在大大提高對(duì)準(zhǔn)效率的同時(shí)，完全不會(huì)影響到測(cè)量精度，可以推廣使用。

4 實(shí)例分析

在某雷達(dá)測(cè)試設(shè)備的轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)過(guò)程中，其中兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的角度定位誤差要求為15″。Ⅰ號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)高于地面5 m，配有升降車，由于轉(zhuǎn)臺(tái)連接有長(zhǎng)約3 m 的擺臂，故角度定位誤差校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)試點(diǎn)位于升降車上且測(cè)量距離取為3.5 m，屬于中長(zhǎng)距離測(cè)試。Ⅱ號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)高于地面約4 m，無(wú)升降車可使用，故測(cè)試點(diǎn)位于地面，并采用五棱鏡將光線轉(zhuǎn)過(guò)90°以實(shí)現(xiàn)角度定位誤差的校準(zhǔn)。在初次校準(zhǔn)時(shí)，使用傳統(tǒng)的目視觀察法進(jìn)行自準(zhǔn)直儀的對(duì)準(zhǔn)，Ⅰ號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)費(fèi)時(shí)約2.5 h 完成對(duì)準(zhǔn)，Ⅱ號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)費(fèi)時(shí)2 h 仍未完成對(duì)準(zhǔn)故放棄，校準(zhǔn)失敗。再次校準(zhǔn)時(shí)，由于采用了激光對(duì)準(zhǔn)套筒，Ⅰ號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)僅費(fèi)時(shí)7 min 即完成對(duì)準(zhǔn)，Ⅱ號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)也僅費(fèi)時(shí)10 min 即完成對(duì)準(zhǔn)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明新的對(duì)準(zhǔn)方法解決了目前方法所存在的困難，并極大地提高了對(duì)準(zhǔn)效率。

5 結(jié)論

利用帶激光組件的對(duì)準(zhǔn)套筒完成自準(zhǔn)直儀的對(duì)準(zhǔn)，使整個(gè)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程變得更加直觀、方便，降低了操作難度，尤其適用于較惡劣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件或大型、戶外轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試設(shè)備的入廠驗(yàn)收以及周期檢測(cè)等場(chǎng)合。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，采用新方法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)之后，大大提高了對(duì)準(zhǔn)效率。在長(zhǎng)距離或需要五棱鏡改變光路的測(cè)量條件下，即使是熟練程度欠佳的操作人員也可在10 min左右完成自準(zhǔn)直儀的對(duì)準(zhǔn)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，新的對(duì)準(zhǔn)方法對(duì)于提高轉(zhuǎn)臺(tái)角度定位誤差的校準(zhǔn)或檢定效率，具有一定的意義。

［1］張琢，李鵬生，強(qiáng)錫富，等.測(cè)角技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，1994，13(4):4-11.

［2］盧榮勝，費(fèi)業(yè)泰.用測(cè)角儀檢定正多面棱體角度誤差的新方法［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，1998，18(6):14-16.

［3］國(guó)防科工委科技質(zhì)量司.幾何量計(jì)量［M］.上.北京:原子能出版社，226-230.