光电自准直仪量程扩展方法的研究

    1 引言

    自准直仪是机械制造、计量测试、科学研究等部门必备的重要测量仪器,广泛应用于测量导轨的直线度、平板的平面度、垂直度以及光学零件表面的平行度、夹角等,特别是在精密、超精密定位方面,如在航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业,更有着不可替代的作用。

    近年来,随着新型光电器件的发展,光电自准直仪逐渐取代了传统的目视自准直仪,大多数光电自准直仪中采用线阵CCD或面阵CCD作为传感器。光电自准直仪光电自准直仪的原理如图1所示。光源发出的光照明十字分划板。十字分划板处于物镜的焦平面上,经物镜2准直后出射平行光。出射光经反射镜反射后,再经物镜聚焦到CCD上,当反射镜法线与光轴存在夹角时,十字线分划板在CCD上成像位置偏离原点,通过十字线成像位置的变化可以测出反射镜法线与光轴的夹角。

    目前国际上主要光电自准直仪的生产商有德国Moller、英国TaylorHobson、日本Nikon,国内有天津奥特梅尔等。

    国内外自准直仪技术指标如表1所示。

    2 基于分段拼接法的自准直测量原理

    从表1可以看出,大部分自准直仪测量距离都在10m以内,只有Moller有两款型号测量距离可以达到25m。但随着我国重大装备制造业的发展,超长导轨、平台的测量需求越来越多,为了能够在现有自准直仪测量能力下满足超长工件的测量需求,可以采取一种量程分段拼接测量法,其原理如图2所示。

    反射镜在被测平面(导轨)上移动,通过自准直仪测得反射镜角度的变化。如图2(a),假设当反射镜从A1点移动到A2点时,达到自准直仪的量程极限,此时自准直仪保存下当前测量数据,然后反射镜不动,自准直仪向前方移动贴近反射镜,再次测量反射镜的角度,将当前角度设置为先前保存的角度,如图2(b)。然后自准直仪不动,反射镜继续向前移动,当反射镜与自准直仪距离接近工作距极限时,再重复以上过程,以此类推,最后,通过数据拼接得到整个被测平台或导轨的直线度。

    3 精度分析

   在分段拼接测量过程中,各段内的测量精度是自准直仪自身测量精度,但在各段拼接时,自准直仪需要移动后重新定位,由于自准直仪测角误差引起其重新定位误差,如图3所示。假设自准直仪测量误差为U,设有n段拼接,每段量程为l,则n段拼接之后附加的直线度误差为

    如果自准直仪的测量精度为0.1",测量距离为10m,?则在测50m的导轨直线度时,由拼接产生的附加误差约为11µm。