六面折射轉(zhuǎn)鼓角度誤差測量的新方法

王喬方，羅龍英，李汝劼,2，王 柯，王貴全，彭代東，張 梅

?

六面折射轉(zhuǎn)鼓角度誤差測量的新方法

王喬方1，羅龍英1，李汝劼1,2，王 柯1，王貴全1，彭代東1，張 梅1

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

介紹了一種利用光電自準(zhǔn)直儀測量六面折射轉(zhuǎn)鼓角度誤差的新方法及測量原理及測量步驟。該方法一次測量可同時獲得中心角和傾角誤差數(shù)據(jù)，可用于六面折射轉(zhuǎn)鼓角度誤差的高精度測量。針對精度為0.52的標(biāo)準(zhǔn)角度塊進(jìn)行測量，實驗表明該方法測量精度優(yōu)于0.52，可應(yīng)用到其他多面體類零件角度誤差的高精度測量。

光學(xué)測量；六面折射轉(zhuǎn)鼓；角度誤差

0 引言

六面折射轉(zhuǎn)鼓是紅外光機掃描系統(tǒng)重要組成部件，掃描器制造過程中，六面折射轉(zhuǎn)鼓的角度誤差直接影響紅外光機掃描系統(tǒng)的質(zhì)量，反映在實際觀察效果上會出現(xiàn)圖像跳動、模糊[1]。傳統(tǒng)的測量方法是借助自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，依靠人眼通過自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀目鏡進(jìn)行讀數(shù)。這種方法效率低，尤其在測量中心角度時，由于六面折射轉(zhuǎn)鼓帶有傾角，自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀需要上下轉(zhuǎn)動才能讀數(shù)，人為因素影響較大。

利用高精度光電自準(zhǔn)直儀和光學(xué)分度頭配合使用，六面折射轉(zhuǎn)鼓放置在光學(xué)分度頭轉(zhuǎn)臺中心，對第一面自準(zhǔn)直，光學(xué)分度頭每次旋轉(zhuǎn)60°，通過自準(zhǔn)直儀采集轉(zhuǎn)角前、后兩個面的空間位姿，從而獲得相鄰面間的中心角及6個面與基準(zhǔn)面的傾角誤差。該系統(tǒng)實現(xiàn)了六面折射轉(zhuǎn)鼓的中心角和傾角的測量一次完成，不僅測量速度快，而且測量精度高。

1 六面折射轉(zhuǎn)鼓的特點

六面折射轉(zhuǎn)鼓（如圖1所示）為鍺單晶制成的斜六面體[2]，面為面傾角測量基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)軸為中心角測量基準(zhǔn)（如圖2所示）。轉(zhuǎn)鼓的6個面分別相對基準(zhǔn)的面傾角為，為面傾角（＝1,…,6），面傾角誤差為202，6個面中相鄰面的中心角為60°，中心角角度誤差為202[3]；相對面是平行的，即1面與4面，2面與5面，3面與6面平行，平行度誤差152。

圖1 六面折射轉(zhuǎn)鼓

Fig.1 6-face rotating drum

2 六面折射轉(zhuǎn)鼓角度誤差測量原理

2.1 測試系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)如圖3所示，主要由光學(xué)分度頭、上反射鏡1#、上反射鏡2#、下反射鏡3#、下反射鏡4#、光電自準(zhǔn)直儀、測試分析軟件組成。

圖2 六面轉(zhuǎn)鼓示意圖

圖3 角度誤差測試系統(tǒng)

2.2 面傾角誤差的測量原理

水平向調(diào)整分度頭，對六面折射轉(zhuǎn)鼓第1面自準(zhǔn)直，微調(diào)分度頭角度，使光電自準(zhǔn)直儀向讀數(shù)＝0，分度頭在水平方向依次旋轉(zhuǎn)60°，計算機采集光電自準(zhǔn)直儀中的向角度值，通過軟件計算得到六面折射轉(zhuǎn)鼓的面傾角誤差。

1）轉(zhuǎn)鼓第1面面傾角檢測：光電自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光束投射到轉(zhuǎn)鼓第1面上，通過轉(zhuǎn)鼓第1面反射，投射到上反射鏡1#上，由上反射鏡1#反射后，投射到轉(zhuǎn)鼓第1面上，再通過轉(zhuǎn)鼓第1面反射，成像在光電自準(zhǔn)直儀CCD上，由于經(jīng)過3次反射，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓第1面在垂直向相對標(biāo)準(zhǔn)角度有微小角度的偏離時，反射光線將轉(zhuǎn)過8的角度，根據(jù)幾何光學(xué)知識可得到如下關(guān)系式：＝￠tan(8)，￠光電自準(zhǔn)直儀的焦距。CCD信號經(jīng)計算機分析處理后，就可以得到轉(zhuǎn)鼓第1面的面傾角，計算公式為：

＝1/[8tan－1(/￠)] (1)

2）轉(zhuǎn)鼓第2面面傾角檢測：光電自準(zhǔn)直儀對轉(zhuǎn)鼓第2面準(zhǔn)直，如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓第2面在垂直向有微小角度的偏離時，反射光線將轉(zhuǎn)過2的角度，根據(jù)幾何光學(xué)知識可得到如下關(guān)系式：＝￠tan(2)，￠為光電自準(zhǔn)直儀的焦距。通過對CCD信號的的處理，就可以得到轉(zhuǎn)鼓第2面的面傾角，計算公式為：

＝1/[2tan－1(/￠)] (2)

圖4 2、5面測量示意圖

3）轉(zhuǎn)鼓第3面面傾角檢測：光電自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光束投射到轉(zhuǎn)鼓第3面上，通過轉(zhuǎn)鼓第3面反射，投射到上反射鏡2#上，由上反射鏡2#反射后，投射到轉(zhuǎn)鼓第3面上，再通過轉(zhuǎn)鼓第3面反射，成像在光電自準(zhǔn)直儀CCD上，由于經(jīng)過3次反射，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓第3面在垂直向相對標(biāo)準(zhǔn)角度有微小角度的偏離時，反射光線將轉(zhuǎn)過8的角度，根據(jù)幾何光學(xué)知識可得到如下關(guān)系式：＝￠tan(8)，￠光電自準(zhǔn)直儀的焦距。CCD信號經(jīng)計算機分析處理后，就可以得到轉(zhuǎn)鼓第3面的面傾角，計算公式如式(1)。

4）轉(zhuǎn)鼓第4面面傾角檢測：光電自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光束投射到轉(zhuǎn)鼓4面上，通過轉(zhuǎn)鼓第4面反射，投射到下反射鏡1#上，由下反射鏡1#反射后，投射到轉(zhuǎn)鼓第4面上，再通過轉(zhuǎn)鼓第4面反射，成像在光電自準(zhǔn)直儀CCD上，由于經(jīng)過3次反射，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓第4面在垂直向相對標(biāo)準(zhǔn)角度有微小角度的偏離時，反射光線將轉(zhuǎn)過8的角度，根據(jù)幾何光學(xué)知識可得到如下關(guān)系式：＝￠tan(8)，￠光電自準(zhǔn)直儀的焦距。CCD信號經(jīng)計算機分析處理后，就可以得到轉(zhuǎn)鼓第4面的面傾角，計算公式如式(1)。

5）轉(zhuǎn)鼓第5面面傾角檢測：光電自準(zhǔn)直儀對第5面準(zhǔn)直，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓第5面在垂直向有微小角度的偏離時，反射光線將轉(zhuǎn)過的角度，根據(jù)幾何光學(xué)知識可得到如下關(guān)系式：＝￠tan(2)，￠為光電自準(zhǔn)直儀的焦距。通過對CCD信號的處理，就可以得到轉(zhuǎn)鼓第5面的面傾角，計算公式如式(2)。

6）轉(zhuǎn)鼓第6面面傾角檢測：光電自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光束投射到轉(zhuǎn)鼓第6面上，通過轉(zhuǎn)鼓第6面反射，投射到下反射鏡2#上，由下反射鏡2#反射后，投射到轉(zhuǎn)鼓第6面上，再通過轉(zhuǎn)鼓第6面反射，成像在光電自準(zhǔn)直儀CCD上，由于經(jīng)過3次反射，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓第6面在垂直向相對標(biāo)準(zhǔn)角度有微小角度的偏離時，反射光線將轉(zhuǎn)過8的角度，根據(jù)幾何光學(xué)知識可得到如下關(guān)系式：＝￠tan(8)，￠光電自準(zhǔn)直儀的焦距。CCD信號經(jīng)計算機分析處理后，就可以得到轉(zhuǎn)鼓第6面的面傾角，計算公式如式(1)。

2.3 中心角誤差測量原理

水平向調(diào)整分度頭，對六面折射轉(zhuǎn)鼓第1面自準(zhǔn)直，微調(diào)分度頭角度，使光電自準(zhǔn)直儀向讀數(shù)＝0，分度頭在水平方向依次旋轉(zhuǎn)60°，計算機依次采集光電自準(zhǔn)直儀中的向角度值，通過軟件計算得到六面折射轉(zhuǎn)鼓的中心角度誤差。

3 測量步驟

3.1 測量基準(zhǔn)的調(diào)整

將平晶固定在光學(xué)分度頭上，利用五棱鏡將光線折轉(zhuǎn)90°的原理，通過光電自準(zhǔn)直儀對固定在光學(xué)分度頭上的平晶自準(zhǔn)直，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)調(diào)整示意圖

傾斜及俯仰向調(diào)整光電準(zhǔn)直儀，使光學(xué)分度頭旋轉(zhuǎn)1周過程中，光電自準(zhǔn)直儀中標(biāo)準(zhǔn)平晶的自準(zhǔn)像靜止不動[4]。

3.2 角度誤差的測量

將六面折射轉(zhuǎn)鼓放置在平晶上，如圖6所示，水平向旋轉(zhuǎn)分度頭，對六面折射轉(zhuǎn)鼓第1面自準(zhǔn)直，微調(diào)分度頭角度，使光電自準(zhǔn)直儀向讀數(shù)＝0，分度頭位置清零，分度頭依次旋轉(zhuǎn)60°，依次測量6個面角度，計算機采集光電自準(zhǔn)直儀中的、角度值，通過軟件計算六面折射轉(zhuǎn)鼓的角度誤差。

圖6 角度測量示意圖

4 實驗結(jié)果

本實驗選用微視公司的1300型CCD，像素數(shù)為1280×1024，感光面積為6.7mm×5.6mm，像素大小為5.2mm×5.2mm。測量軟件用VB6.0編寫，軟件界面如圖7所示。

為了檢驗系統(tǒng)測量精度，于4塊標(biāo)準(zhǔn)角度塊作為測試對象，用該系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)角度塊角度值如表1所示。測試結(jié)果如表2所示。

從表2測試結(jié)果可以看出，用該系統(tǒng)對1#、2#、3#、4#標(biāo)準(zhǔn)角度塊進(jìn)行測試，測試精度優(yōu)于0.52，滿足角度誤差的高精度測量。

圖7 角度測試界面

表1 標(biāo)準(zhǔn)角度塊角度值

表2 新方法的測試結(jié)果

5 結(jié)論

為了改變六面折射轉(zhuǎn)鼓測試系統(tǒng)中目視讀數(shù)誤差大，測量效率低的問題，提出一種結(jié)合高精度光電自準(zhǔn)直儀和光學(xué)分度頭測量六面折射轉(zhuǎn)鼓角度誤差的方法，增加上下反射鏡，通過VB軟件設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、分析、計算、存儲、打印等功能。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作使用方便，對六面折射轉(zhuǎn)鼓形位誤差的高精度修形加工及檢測具有較高的指導(dǎo)意義。應(yīng)用該測試系統(tǒng)檢測六面折射轉(zhuǎn)鼓，可大大降低勞動強度，提高檢測效率和測量精度，從根本上克服了使用傳統(tǒng)經(jīng)緯儀進(jìn)行測量的缺陷，實現(xiàn)了六面折射轉(zhuǎn)鼓的中心角和傾角的測量一次完成，不僅測量速度快，測量精度高，而且大大降低了零件損傷率。

[1] 樊春麗, 崔瑩. 六面體轉(zhuǎn)鼓分度和塔差的檢測方法及測量結(jié)果不確定度的評定[J]. 紅外與激光工程, 2008, 37(增刊): 337-339.

FAN Chunli，CUI Ying. Measurement of rotating hexahedron drum indexing and evaluation in uncertainty of the measuring result[J]., 2008, 37(Supplement): 337-339.

[2] 楊彥輝, 謝啟明, 岳清, 等. 鍺單晶二維六面掃描轉(zhuǎn)鼓的數(shù)控精密成形[J]. 新技術(shù)新工藝, 2010(12): 94-96.

YANG Yanhui, XIE Qiming,YUE Qing, et al. CNC precision shaping for two-dimension polygon scanner of Ge crystal[J]., 2010(12): 94-96.

[3] 金寧, 曹凌, 崔勤. 紅外六面折射轉(zhuǎn)鼓掃描軌跡的仿真分析[J]. 紅外技術(shù), 2007, 29(5): 249-252.

JIN Nin, CAO Ling, CUI Qin. Analysis for scanning footprint of infrared 6-face rotating drum system[J]., 2007, 29(5): 249-252.

[4] 鄭子文, 翁雷, 陳善勇, 等. 高精度六面體垂直度誤差測量的一種新方法[J]. 光學(xué)技術(shù), 2008, 34(3): 391-394.

ZHENG Ziwen, WENG Lei, CHEN Shanyong, et al. A novel method for perpendicularity measurement of high precision hexahedron[J]. Optical Technique, 2008, 34(3): 391-394.

[5] 徐鳳茹, 林玉池, 趙美蓉, 等. 基于視覺跟蹤式自準(zhǔn)直儀的十字線提取技術(shù)[J]. 激光與紅外, 2011, 41(11): 1211-1214.

XU Fengru, LIN Yuchi, ZHAO Meirong, et al. Reticle extraction technology based on visual tracking autocollimator[J]., 2011, 41(11): 1211-1214.

A Novel Method for Angle Error Measurement of 6-face Rotating Drum

WANG Qiaofang1，LUO Longying1，LI Rujie1.2，WANG Ke1，WANG Guiquan1，PENG Daidong1，ZHANG Mei1

(1.,650223,; 2.,100081,)

This paper introduces a kind of novel method for angle error measurement of 6-face rotating drum, with the measurement apparatus and experimental procedure. The method not only gets high precision, and can also obtain a central angle and inclination error distribution data that can be used for high precision measurement of 6-face rotating drum angle error. According to the measurement standard angle precision of 0.52, experiments show that the measurement results of this method is credible, of which accuracy is superior to 0.52, and such method can be applied to high accuracy measurement of angle error for other polyhedral parts.

optical measurement，6-face rotating drum，angle error

TN216

A

1001-8891(2016)09-0739-04

2015-09-14；

2016-03-08.

王喬方（1970-）男，碩士，高工，主要從事光學(xué)測試技術(shù)研究。

國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研支撐項目。