专利名称：一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直度测量方法，尤其涉及一种利用光学测量手段非接触性测量隐蔽转轴与端面垂直度的方法，属于机械测量技术领域。
背景技术：
机械转轴与端面之间垂直度的测量是几何测量领域中最基本的项目之一，通常可采用接触式的测量方法直接测量得到，然而对于一些特殊的机械装置，如光学扫描成像系统，其转轴隐藏于结构内部，无法用接触的方法测量该参数，必须借助于光学等非接触方法。以光电雷达系统中的扫描电机的转轴与安装端面的不平行度测量为例，振镜电机作为关键部件常被应用在红外成像制导技术当中。红外成像的清晰度除了受光学系统、红外探测器的影响外，还与扫描装置有关。振镜电机是成像系统的关键部件时，除了对于材料和尺寸的要求，扫描视场和转轴与安装端面的不平行度有直接的关系，只有保证振镜电机的高度稳定性，即良好的重复性，才能使正向扫描和逆向扫描所成的图像重叠到一起，确保成像系统的稳定，达到精确制导的目的。因此，对振镜电机转轴端面垂直度进行准确测量，是保证精确成像的基础。
由于振镜电机对于定位和转角控制精度的要求越来越高，而且摆动的频率越来越快(超过100Hz)，已经不能采用接触性测量的方式对振镜电机的摆角信息进行测量。随着光电子技术和器件的不断发展，非接触式光电检测技术成为测试振镜电机摆角特征的最好选择。圆光栅法、激光干涉法、激光自准直法是目前常用的动态角度测量的方法。前两者在进行角度测量时具有测量精度高的优点，但是它们的结构复杂，现场性、动态性和经济性不理想。激光自准直法利用激光作为自准直线，以象限探测器CCD或者PSD作为位置敏感探测器，当被测物体发生角度的变化时，反射回来的光线将产生位移的变化，但是可以保证角度信息不变，这样利用位移的变化可以方便实时的实现角度的静态和动态测量。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量方法及系统，能够对隐蔽转轴端面的垂直度进行准确快速测量，且结构简单，实现成本低廉。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量方法，在所述隐蔽转轴端面上固定安装一平面反射镜，该平面反射镜镜面与隐蔽转轴端面垂直；用激光照射所述平面反射镜，并匀速旋转所述隐蔽转轴，利用面阵光电位置传感器采集平面反射镜反射的光点位置信号，光点位置信号在时间轴上的轨迹为一个弦；根据所述弦的高度与隐蔽转轴与端面垂直度之间存在的对应关系确定所述隐蔽转轴与端面垂直度，弦的高度越大，隐蔽转轴与端面垂直度越小。
一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量系统，包括平面反射镜，固定安装于所述隐蔽转轴端面上，该平面反射镜镜面与隐蔽转轴端面垂3直；激光器，用于向所述平面反射镜发射激光；面阵光电位置传感器，用于采集所述平面反射镜反射的激光光点的位置信号。
进一步地，该系统还包括设置于所述平面反射镜与面阵光电位置传感器之间的反射光路上的透镜组；所述透镜组包括平行设置的第一平凸柱面透镜和第二平凸柱面透镜， 第一平凸柱面透镜的光心到平面反射镜中心的距离大于第一平凸柱面透镜的焦距，小于 2f,;第二凸柱面透镜的光心到面阵光电位置传感器光敏面之间的距离等于第二凸柱面透镜的焦距f2。
本发明可对无法进行接触式测量的隐蔽转轴的端面垂直度进行快速准确测量，且结构简单，实现成本低廉。
图1为隐蔽转轴与端面垂直度示意图；图2为本发明测量系统的光路示意图；图3为本发明测量系统的原理示意图；图4为具体实施方式
中本发明测量系统的反射光路示意图；图5为面阵光电位置传感器接收到的反射光点轨迹；图中各标号含义如下I为平面反射镜，2为激光器，3为第一平凸柱面透镜，4为第二平凸柱面透镜，5为面阵光电位置传感器，6为隐蔽转轴轴线，7为平面反射镜I的法线方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明隐蔽转轴的结构如图1所示，图中虚线表示隐蔽转轴的轴线，转轴轴线与转轴端面的夹角5反映了该隐蔽转轴与端面垂直度，理想情况下4的角度为90°。如图所示，由于转轴隐藏于外部结构内，因此无法采用传统的接触测量μ,〃式得到隐蔽转轴与端面垂直度。
本发明的思路是利用激光自准直测量原理实现隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量，具体为在待测隐蔽转轴端面上固定安装一平面反射镜，该平面反射镜镜面与隐蔽转轴端面垂直；用激光照射所述平面反射镜，并匀速旋转所述隐蔽转轴，利用面阵光电位置传感器(Position Sensitive Detector,简称PSD)采集平面反射镜反射的光点位置信号,光点位置信号在时间轴上的轨迹为一个弦；根据所述弦的高度与隐蔽转轴与端面垂直度之间存在的对应关系确定所述隐蔽转轴与端面垂直度，弦的高度越大，隐蔽转轴与端面垂直度越小。
本发明的隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量系统，如图2所示，包括平面反射镜I、激光器2、面阵光电位置传感器5，其中，平面反射镜I固定安装于待测隐蔽转轴端面上，其镜面与隐蔽转轴端面垂直；面阵光电位置传感器5，用于采集所述平面反射镜反射的激光光点的位置信号，其信号输出端按信号走向依次与光电位置传感器调理电路、数据采集卡、计算机(图中未示出)。激光器2发射的激光经平面反射镜I反射后照射在面阵光电位置传感器5的敏感面上，光电位置传感器5将照射在其上的反射光光点位置转换为电信号并经光电位置传感器调理电路、数据采集卡传输至计算机。
该系统的测试原理如图3所示，图中6为隐蔽转轴，7为固定在转轴端面的平面反射镜I的法线，设转轴与转轴端面的夹角为α，当平面反射镜I的镜面(如图中虚线所示) 调整为竖直时，即镜面的法线平行于水平面，则转轴倾斜G，理想状况下，角度《为O。如图所示，当转动转轴6时，平面反射镜I的镜面法线将会在空间画出一个圆，当角度a不为O 时，该圆并不平行于水平面，即反射光线会随转轴的不同位置产生不同的竖直方向分量的转角，该转角的大小同转轴与端面的不垂直度有单值对应的数学关系，可以作为测量转轴与端面的不垂直度的关联参数。
一般情况下，转轴与端面的法向的夹角(即角度《)非常小，为了提高测试系统的分辨率，通常通过延长光路，即增大光臂的方法实现。但是为了降低系统成本，通常使用的光电位置传感器5的敏感面的面积较小，无法满足较大面积的测试，所以需要在反射光路中增加一个平凸柱面透镜3，将反射光压缩在较小面积的水平扫描区域。同时由于光程的加大，激光的发散角会导致落在光电位置传感器5的敏感面上的光斑面积过大而影响测试精度，为此，本发明又在平凸柱面透镜3与光电位置传感器5之间设置了平凸柱面透镜4，光电位置传感器5与平凸柱面透镜4之间的距离为平凸柱面透镜4的一倍焦距，从而使得发散的光束又汇聚于平凸柱面透镜4的焦平面上。本具体实施方式
中的测量系统，如图2所示， 还包括设置于所述平面反射镜与面阵光电位置传感器之间的反射光路上的透镜组；所述透镜组包括平行设置的平凸柱面透镜3和平凸柱面透镜4，平凸柱面透镜3的光心到 平面反射镜I中心的距离大于平凸柱面透镜3的焦距，小于2f\ ;凸柱面透镜4的光心到面阵光电位置传感器5光敏面之间的距离等于凸柱面透镜4的焦距f2 ;整个反射光路如图4所示。
使用该测量系统进行测量时，可以按照以下方法步骤A、安装被测转轴和测试系统各部件将激光器2、平凸柱面透镜3、平凸柱面透镜4、面阵光电位置传感器5安装在同一个光学平台上；将连接有平面反射镜I的被测转轴安装在一个可以调整俯仰角度的角位台上。转轴与端面的垂直度用转轴与端面之间的夹角进行表征。
步骤B、调节激光器2的位姿，使从激光器2发出的激光平行于光学平台台面，并照射在平面反射镜I上，入射光和反射镜面的法线的夹角在30°~60°之间，通过角位台调节平面反射镜I的俯仰角，使得反射光线也平行于光学平台台面。安装的平凸柱面透镜3满足以下两个条件1)平凸柱面透镜3的圆柱方向的对称轴线垂直于光学平台台面；2)平凸柱面透镜3的光心到平面反射镜I的距离大于平凸柱面透镜3的焦距f1;小于2f,；安装的平凸柱面透镜4满足以下三个条件1)平凸柱面透镜4圆柱方向的对称轴线垂直于光学平台台面；2)经过平凸柱面透镜3后在水平方向扫描角度范围被压缩的光线入射到平凸柱面透镜3时，不能超出平凸柱面透镜3的宽度范围；3)平凸柱面透镜4的光心距离面阵光电位置传感器5敏感面的垂直距离等于平凸柱面透镜4的焦距f2。
步骤C、匀速往复转动转轴，转动角度的范围是保证反射到平凸柱面透镜3的光线落在透镜的表面，即不超出透镜的宽度范围，透过平凸柱面透镜3的光线落在平凸柱面透镜4的宽度范围以内，这可以通过调节两个透镜之间的距离实现。经过平凸柱面透镜4的光线一方面继续被压缩，另外一方面，由于穿过平凸柱面透镜4的光线直接落在光电位置传感器5的敏感面上，而敏感面刚好位于平凸柱面透镜4的焦平面上，使得光点被汇聚，因而提高了光电位置传感器5的测试范围，因为光点大，容易跑出传感器的敏感区域。光线在水平方向被压缩，而竖直方向由于光程的增加而得到了放大。光电位置传感器5的反映竖直方向光点信息的输出信号经过调理电路的放大、除法运算，得到与光点位置有关的输出电压信号，该信号输出到数据采集卡和计算机，进行数据处理，计算特征参数。如在理想状况下，即转轴与端面完全垂直的情况下，输出电压信号在时间轴上应呈现为直线；而当转轴与端面不垂直时，如图5所示，其在时间轴上的轨迹为一个弦，计算弦的高度，并根据弦的高度和转轴与端面垂直度的关系，计算得到转轴与端面的垂直度。
权利要求
1.一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触測量方法，其特征在于，在所述隐蔽转轴端面上固定安装一平面反射镜，该平面反射镜镜面与隐蔽转轴端面垂直；用激光照射所述平面反射镜，并匀速旋转所述隐蔽转轴，利用面阵光电位置传感器采集平面反射镜反射的光点位置信号，光点位置信号在时间轴上的轨迹为ー个弦；根据所述弦的高度与隐蔽转轴与端面垂直度之间存在的对应关系确定所述隐蔽转轴与端面垂直度，弦的高度越大，隐蔽转轴与端面垂直度越小。
2.如权利要求I所述隐蔽转轴与端面垂直度的非接触測量方法，其特征在于，在所述平面反射镜与面阵光电位置传感器之间的反射光路上设置有一透镜组；所述透镜组包括平行设置的第一平凸柱面透镜和第二平凸柱面透镜，第一平凸柱面透镜的光心到平面反射镜中心的距离大于第一平凸柱面透镜的焦距も，小于2f\ ;第二凸柱面透镜的光心到面阵光电位置传感器光敏面之间的距离等于第二凸柱面透镜的焦距f2。
3.一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触測量系统，其特征在于，包括 平面反射镜，固定安装于所述隐蔽转轴端面上，该平面反射镜镜面与隐蔽转轴端面垂直； 激光器，用于向所述平面反射镜发射激光； 面阵光电位置传感器，用于采集所述平面反射镜反射的激光光点的位置信号。
4.如权利要求3所述隐蔽转轴与端面垂直度的非接触測量系统，其特征在干，该系统还包括设置于所述平面反射镜与面阵光电位置传感器之间的反射光路上的透镜组；所述透镜组包括平行设置的第一平凸柱面透镜和第二平凸柱面透镜，第一平凸柱面透镜的光心到平面反射镜中心的距离大于第一平凸柱面透镜的焦距，小于2f\ ;第二凸柱面透镜的光心到面阵光电位置传感器光敏面之间的距离等于第二凸柱面透镜的焦距f2。
全文摘要
本发明公开了一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量方法，属于机械测量技术领域。本发明在隐蔽转轴端面上固定安装一平面反射镜，该平面反射镜镜面与隐蔽转轴端面垂直；用激光照射所述平面反射镜，并匀速旋转所述隐蔽转轴，利用面阵光电位置传感器采集平面反射镜反射的光点位置信号，光点位置信号在时间轴上的轨迹为一个弦；根据所述弦的高度与隐蔽转轴与端面垂直度之间存在的对应关系确定所述隐蔽转轴与端面垂直度，弦的高度越大，隐蔽转轴与端面垂直度越小。本发明还公开了一种隐蔽转轴与端面垂直度的非接触测量系统。本发明可对无法进行接触式测量的隐蔽转轴的端面垂直度进行快速准确测量，且结构简单，实现成本低廉。
文档编号G01B11/26GK102980534SQ20121047354
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者姚恩涛, 张明, 游有鹏 申请人:南京航空航天大学