孔内回转体同轴度测量装置及方法与流程

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种孔内回转体同轴度测量装置及方法。

背景技术：

电子加速器通常将发射电子束的环形阴极设置在磁体内孔中，利用磁场约束电子的运动径迹，而环形阴极与磁体内孔之间的装配同轴度直接影响着系统的工作效率。在一些应用电子加速器产生微波的系统中，通常要求阴极与磁体内孔轴线偏差小于0.1mm，而磁体内孔孔径通常在几十毫米范围，阴极端面到磁体内孔端面距离在几十厘米左右，常规的测量仪器或工具难以在这样狭小的空间内实施精确测量。对于某些包含永磁体的电子加速器系统，采用千分表或普通位移传感器测量同轴度的技术方案由于仪表中存在铁磁性材料也无法应用。目前在电子加速器阴极与磁体装配过程中主要采用由非铁磁性材料制成的对心块检验同轴度是否符合要求，对心块的外圆柱面与磁体内孔配合，对心块的内孔与阴极的外圆柱面配合，使用时通过感受对心块套合阴极的阻力大小判断同轴度的大小。这种方法虽然成本低廉、简便易行，但存在如下问题：

(1)该方法不能定量给出轴线偏差大小及方向，对心装配存在一定“盲目性”；

(2)由于使用对心块需要在磁体内孔中滑动，对心块内外配合面存在配合间隙，只能保证对心后的轴线偏差在0.1mm左右，而且配合间隙随着对心块的使用和磨损会逐渐增大，导致对心精度越来越低，另外对心块受重力影响也会造成对心后的偏心；

(3)该方法属于接触法，检验的过程中会对阴极造成磕碰或划伤。

技术实现要素：

基于以上背景，本发明提出了一种基于色散共焦位移传感器和四点刚性定位工装的狭小孔内回转体的同轴度测量装置及方法，旨在解决现有方法无法定量测量狭小空间的孔内回转体轴线偏差的大小及方向的问题。

本发明的技术解决方案是：

孔内回转体同轴度测量装置，包括定位支撑组件；其特殊之处在于：还包括色散共焦位移传感器、反射镜、旋转定位工装以及控制器；

所述定位支撑组件包括相对固定设置的定位件和支撑件，定位件和支撑件之间的空间用于固定安装所述色散共焦位移传感器；

定位件的底面为四个角均为圆角的矩形平面，支撑件的底面上设置有至少一个弹性支撑点；定位件、支撑件以及色散共焦位移传感器整体位于基准孔内时，定位件的底面的四个圆角和支撑件底面的弹性支撑点均与基准孔内壁紧密接触；

所述定位支撑组件还包括与定位件或者支撑件固连的反射镜支架，所述反射镜通过反射镜支架固定于基准孔内，反射镜的位置和姿态应满足色散共焦位移传感器发出的光束经反射镜反射后能够垂直入射至基准孔内回转体的被测表面上；

所述旋转定位工装包括至少一根拨杆，拨杆的一端与所述定位件和/或支撑件接触，拨杆可带动所述定位件和/或支撑件在基准孔内旋转且不会对所述定位件和/或支撑件产生径向力，拨杆的另一端伸出基准孔；

控制器位于基准孔外，与色散共焦位移传感器通过传输光纤相连，用于获取光程长度；通过所述光程长度即可计算出被测回转体轴线相对于基准孔轴线的同轴度；

所述光程指光从色散共焦位移传感器探头出射经反射镜反射至被测回转体表面的路程。

进一步地，上述旋转定位工装还包括位于色散共焦位移传感器一侧的定位转盘；定位转盘为旋塞式结构，中部沿轴线方向开设有用于使传输光纤通过的通孔，底部沿径向外伸与基准孔端部配合实现轴向定位；所述拨杆的一端穿过定位转盘与所述定位件和/或支撑件接触，拨杆的中部通过紧定螺钉与定位转盘锁紧，拨杆的另一端伸出定位转盘。

进一步地，上述定位件和支撑件为一体件。

进一步地，上述定位件上开设有轴向条形孔和径向条形孔，其中，轴向条形孔设置在定位件用于固定色散共焦位移传感器的面上，色散共焦位移传感器通过该轴向条形孔固定于定位件上，通过该轴向条形孔可实现反射镜与色散共焦位移传感器的探头之间轴向距离的调节；径向条形孔设置在定位件用于固定反射镜支架的面上，反射镜支架通过该径向条形孔固定于定位件上，通过径向条形孔可实现反射镜到被测回转体表面的高度调节。

进一步地，上述弹性支撑点为弹簧柱塞。

本发明同时提供了一种孔内回转体同轴度测量方法，包括以下步骤：

1)将上述孔内回转体同轴度测量装置放入基准孔中；

2)调整旋转定位工装，将色散共焦位移传感器定位在基准孔内设定深度和设定角度下，定义此时色散共焦位移传感器为初始位置，打开色散共焦位移传感器；

3)色散共焦位移传感器的探头发出一束白光并入射至反射镜上，经反射镜反射后垂直入射至基准孔内回转体的被测表面上；

4)色散共焦位移传感器接收基准孔内回转体的被测表面所返回的光信号，并将该光信号送入控制器；

5)控制器通过光谱分析显示输出当前状态的位移，记为s0；

6)调整旋转定位工装，将色散共焦位移传感器沿同一方向旋转三次，每次旋转90°；每次旋转后都按照步骤3)-5)相同的方法测量一次当前状态的位移，分别记为s90，s180和s270；

7)通过步骤5)-6)中测量的位移，得到回转体轴线相对于基准孔轴线的同轴度。

进一步地，上述步骤7)中计算同轴度的具体方法为：

7.1)以基准孔上被测点所在截面圆的圆心为原点o，以原点o指向所述初始位置的方向为x轴，以原点o指向第一次旋转后位置的方向为y轴，建立直角坐标系xoy，则回转体圆心相对基准孔轴线偏差的坐标分量为：

7.2)回转体轴线相对于基准孔轴线的同轴度为：

本发明具有以下有益效果：

1.相比传统使用对心滑块定性检验同轴度的方法，本发明可以定量给出轴线偏差的大小以及方向，为装配对心提供依据；

2.本发明采用色散共焦位移传感器可实现微米级的高精度测量，能够显著提高装配效率，大幅提高对心精度；

3.本发明通过定位件的矩形底面的4个顶点进行刚性定位，加工制造成本低，对装置本身的装配精度要求不高；

4.本发明可在强磁场环境下应用；

5.本发明属于非接触法，检验的过程中不会对阴极造成磕碰或划伤。

附图说明

图1是孔内回转体同轴度测量装置的结构示意图；图中标号：1-环形阴极，2-磁体内筒，3-磁体，4-定位支撑组件，41-定位件，42-支撑件，43-弹簧柱塞，44-反射镜支架，45-反射镜，5-色散共焦位移传感器，51-探头，52-光纤，53-控制器，6-旋转定位工装，61-定位转盘，62-拨杆，63-紧定螺钉；

图2是本发明所提供的刚性定位点及弹性支撑点的结构示意图；图中标号：43-弹簧柱塞，46-刚性定位点；

图3是本发明所提供的拨杆端部与定位支撑组件之间的可分离接触的结构示意图；图中标号：64-连接处。

图4是本发明的定位支撑组件的结构示意图；图中标号：411-轴向条形孔，412-径向条形孔。

图5是本发明计算同轴度时所建立的坐标系的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

参见图1-3，本发明所提供的孔内回转体同轴度测量装置，包括定位支撑组件4、色散共焦位移传感器5、反射镜45、旋转定位工装6以及控制器53。

定位支撑组件4包括相对固定设置的定位件41和支撑件42(定位件41和支撑件42可以为一体件)，定位件41和支撑件42之间的空间用于固定安装色散共焦位移传感器5；定位件41的底面为四个角均为圆角的矩形平面，矩形平面的四个圆角作为刚性定位点46；支撑件42的底面上设置有两个弹簧柱塞43作为弹性支撑点；定位件41、支撑件42以及色散共焦位移传感器5装配后整体位于基准孔内时，定位件41的底面的四个刚性定位点46和支撑件42底面的弹簧柱塞均与基准孔内壁紧密接触。

定位支撑组件4还包括与定位件41或者支撑件42固连的反射镜支架44，反射镜45通过反射镜支架44固定于基准孔内，反射镜45的位置和姿态应满足色散共焦位移传感器5发出的光束经反射镜45反射后能够垂直入射至位于基准孔内回转体的被测表面上。

旋转定位工装6包括至少一根拨杆62，拨杆62的一端与定位件41和/或支撑件42接触，拨杆可带动所述定位件和/或支撑件在基准孔内旋转且不会对所述定位件和/或支撑件产生径向力，拨杆62的另一端伸出基准孔；本实施例中采用了两根拨杆，并且两根拨杆分别与定位件41和支撑件42接触，如图3中所示连接处64；当转动拨杆62时，定位件41和支撑件42会发生转动，从而带动色散共焦位移传感器5和反射镜45转动，达到调整色散共焦位移传感器5在基准孔内定位角度的目的。当沿基准孔轴线方向移动拨杆62时，会带动定位件41和支撑件42沿基准孔轴线方向移动，从而达到调整色散共焦位移传感器5在基准孔内定位深度的目的。

控制器53位于基准孔外，与色散共焦位移传感器5通过传输光纤相连，用于获取光程长度，通过该光程长度即可计算出被测表面的高度。

为了在调整色散共焦位移传感器5位置和角度时便于操作，本发明的旋转定位工装6还包括位于色散共焦位移传感器5一侧的定位转盘61；定位转盘61为旋塞式结构，其颈部与基准孔内壁配合实现定位，其中部沿轴线方向开设有用于使传输光纤通过的通孔，其底部沿径向外伸与基准孔端部配合实现定位；拨杆62的一端穿过定位转盘61与定位件41和/或支撑件42接触，拨杆62的中部通过紧定螺钉63与定位转盘61锁紧，拨杆62的另一端伸出定位转盘61。

为了调节反射镜与色散共焦位移传感器5的探头51之间的轴向距离，以及调节反射镜相对被测表面的高度，本发明在定位件41上开设有轴向条形孔411和径向条形孔412，如图4所示。轴向条形孔411设置在定位件41用于固定色散共焦位移传感器5的那个面上，色散共焦位移传感器5通过该轴向条形孔411固定于定位件41上，通过该轴向条形孔411可实现反射镜45与色散共焦位移传感器5的探头51之间轴向距离的调节；径向条形孔412设置在定位件41用于固定反射镜支架44的面上，反射镜支架44通过该径向条形孔412固定于定位件41上，通过径向条形孔412可实现反射镜45到被测回转体表面的高度调节。

本发明的工作原理：

探头51可发出一束白光，通过探头51内部的光学系统将白光沿光束方向色散，这样只有特定波长的光在被测物体表面汇聚成光斑；探头51接受反射光经传输光纤传导至控制器53，控制器53通过分析反射光的频率成分计算光程长度，进而推算被测物体表面的高度，最终得到被测物体轴线相对于基准孔的同轴度。在本发明中，色散共焦位移传感器5射出的白光光束经反射镜45反射后垂直打到孔内回转体的被测表面上，光线原路反射回色散共焦位移传感器5内部，通过分析色散共焦位移传感器5所接收的光信号的频率得到当前状态的位移；通过调整旋转定位工装6，可带动定位支撑组件4和色散共焦位移传感器5的组合体在基准孔内定位至其他角度，这样通过测量多个均布角度下的位移值就可以得到待测回转体轴线相对于基准孔轴线的的同轴度。

利用上述孔内回转体同轴度测量装置测量孔内回转体同轴度的方法为：

1)将上述孔内回转体同轴度测量装置放入基准孔中；

2)调整旋转定位工装6，将色散共焦位移传感器5定位在基准孔内设定深度和设定角度下，定义此时色散共焦位移传感器为初始位置(即图5所示0°位置)，打开色散共焦位移传感器5；

3)色散共焦位移传感器5的探头51发出一束白光并入射至反射镜45上，经反射镜45反射后垂直入射至基准孔内回转体的被测表面上；

4)色散共焦位移传感器5接收基准孔内回转体的被测表面所返回的光信号，并将该光信号送入控制器53；

5)控制器53通过光谱分析显示输出当前状态的位移，记为s0；

6)调整旋转定位工装6，将色散共焦位移传感器5沿同一方向旋转三次，每次旋转90°；每次旋转后都按照步骤3)-5)相同的方法测量一次当前状态的位移，分别记为s90，s180和s270；7)通过步骤5)-6)中测量的位移，得到回转体轴线相对于基准孔轴线的偏差大小及方向，即同轴度。

上述步骤7)中具体计算方法为：

以基准孔轴线上被测点所在截面圆的圆心为原点o，以原点o指向所述初始位置的方向为x轴，以原点o指向第一次旋转后位置(即图5所示90°位置)的方向为y轴，建立直角坐标系xoy，则回转体圆心相对基准孔轴线偏差的坐标分量为：

7.2)回转体轴线相对于基准孔轴线的同轴度为：

实施例：

环形阴极1内径19mm，磁体内筒2内径52mm；磁体3为永磁体，环形阴极1端面到磁体内筒2孔口端面距离约为300mm。定位支撑组件4采用铝合金材质，其中定位件41通过一体加工的方式获得矩形表面上4处圆角顶点，即4个刚性定位点46。采用的色散共焦位移传感器5的测量中心距为20mm，测量范围为±1mm。按照前述测量方法通过测量4个均布角度下的位移值就可以得到2个正交方向下环形阴极1的轴线相对于磁体内筒2的轴线偏差的坐标分量，经换算可得同轴度。

本发明不仅适用于电子加速器环形阴极与磁体内筒同轴度的测量，还适用于其他孔内回转体同轴度测量。