一种用于虚光轴和结构靠面的高精度角度测量系统及方法与流程

本发明涉及一种测量光轴和结构靠面角度的系统及方法，尤其适用于外形尺寸较小，测量精度高的光学设备。

背景技术：

采用结构靠面对目标基准面引出的仪器具有光学和机械系统结构十分紧凑，尺寸小巧，无电控系统的优点。但对其结构靠面和输出虚光轴的方便、稳定、准确的测量因存在对反光面和非反光面的测量却存在测量精度不高的问题。

目前常用的高精度角度测量方法主要有非接触式测量和接触式测量。

非接触式测量角度方法较多，精度很高，主要采用自准直仪进行测量。自准直仪的光纤通过平行光被有倾角的镜面反射后偏移零位标线的原理制成的。但都要求测量平面必须得反光，对于不能反光的结构靠面的束手无策。

高精度的接触式测量主要依赖于三坐标仪器测量。三坐标测量机工作原理是在三维可测的空间范围内，能够根据侧头系统探测工件，返回工件表面的点数据，通过三坐标的软件系统计算各类几何形状，尺寸和测量能力的仪器。

任何形状都是由空间点组成，所有几何测量归结为空间点的测量，将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测量出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数据处理，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经数据计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。

三坐标测量时零件的表面越小，相对角度误差越大，满足不了高精度角度测量的要求，并且它的测量需要接触零件表面，不适合于直角棱镜的法线测量。

技术实现要素：

为了实现对反光面和非反光面角度的高精度测量，本发明提出了一种用于虚光轴和结构靠面的高精度角度测量系统及方法。

本发明的技术方案如下：

该高精度角度测量系统包括标定装置、测角仪和转台；其中标定装置包括基准平面镜、靠面平面镜和标定座；所述基准平面镜、靠面平面镜通过各自的调节架分别安装于标定座的两个垂直邻接的第一立面、第二立面，使得基准平面镜和靠面平面镜能够被调节至相互垂直；标定座的第一立面、第二立面的对面均敞开，标定座还具有与第一立面、第二立面均垂直邻接的第三面，该第三面中部设置有通光孔；所述测角仪与基准平面镜和靠面平面镜处于同一水平，通过观测光轴重合实现标定和角度测量；在标定时，所述第三面作为标定座的底面平放于转台上；在角度测量时，所述第一立面作为标定座的底面平放于转台上，基准平面镜作为待测设备的安装底面，靠面平面镜用于引出待测设备结构靠面的法线方向，待测设备的输出光轴通过所述通光孔被测量。

在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下优化：

基准平面镜的调节架和靠面平面镜的调节架均具有锁紧功能，以锁定调节位置。

该高精度角度测量系统还包括调平架，在角度测量时，所述标定装置通过该调平架调平安装于转台上。

基准平面镜与待测设备接触的安装面镀反光膜，靠面平面镜与待测设备接触的靠面镀反光膜。

基准平面镜和靠面平面镜的厚度均不小于6mm。

一种上述高精度角度测量系统的测量方法，首先利用测角仪和转台标定基准平面镜和靠面平面镜使之相互垂直；然后用靠面平面镜引出待测设备的结构靠面法线方向，基准平面镜作为待测设备的安装底面；利用测角仪和转台，将测量待测设备的结构靠面法线与输出光轴的水平方位夹角θa转换为测量靠面平面镜的光轴与待测设备的输出光轴的夹角。具体包括以下步骤：

1)调平测角仪，然后调整基准平面镜，使得测角仪的光轴与基准平面镜的光轴重合；

2)以基准平面镜为基准，利用转台和测角仪标定出在水平面上与其垂直的靠面平面镜；

3)固定基准平面镜与靠面平面镜的相对角度关系；

4)将基准平面镜水平放置并调平，在基准平面镜上放置待测设备，使待测设备结构靠面紧贴靠面平面镜(通过靠面平面镜引出结构靠面方位)，利用测角仪7测量待测设备输出光轴的方位值θ1；

5)拆除待测设备，转台顺时针转动θ2，使靠面平面镜能够被测角仪测得方位；测量此时靠面平面镜的方位值θ3，则待测设备的结构靠面法线与输出光轴的水平方位夹角θa＝θ2+(θ3-θ1)。

上述步骤1)中调平测角仪，满足测角仪的主光轴与水平面的误差在8′内即可，即测角仪的主光轴与水平面的夹角每增加8′，两平面的垂直度误差增加不超过1″。

上述步骤4)中基准平面镜的水平调整精度控制在30″内即可。

本发明的有益效果是：

1、本发明测量设备的虚光轴和设备平面的角度关系，测量稳定，精度高。

2、本发明对平面镜和调节结构的要求不高，并且操作简易方便，功能独立。

3、本发明不涉及任何电控元件，简单可靠。

4、尤其对于较小待测设备，本发明比传统的测量方案具有更高的精度。

附图说明

图1待测设备角度常数示意图。

图2标定装置示意图。

图3本发明的垂直度标定过程。

图4本发明测量待测设备过程的正视图。

图5本发明测量靠面平面过程的俯视图。

具体实施方式

如图1为待测设备角度常数示意图，该设备通过结构靠面法线读取目标靠面的方位角，通过输出光轴将读取的方位角传递给外部设备，其中结构靠面法线与输出光轴的水平方位夹角为θa，需要精确测量，以便将目标靠面的方位角换算至输出的光轴上。

图2示出了本发明的一种标定装置。它由五部分组成，分别是基准平面镜1、基准平面镜调节架2、靠面平面镜3、靠面平面镜调节架4和标定座5。基准平面镜1由基准平面镜调节架2进行角度调节，靠面平面镜3由靠面平面镜调节架4进行角度调节，两个调节架分别带有自锁功能。标定时，以标定安装面为底面放在在转台上；测量时以调试安装面平行于转台平面放置，待测设备的输出光轴通过通光孔被测量。

图3是应用图2所示标定装置的垂直度标定过程，通过该过程可将基准平面镜1和靠面平面镜3调试成相互垂直状态。首先，将测角仪7调平，标定平面镜以标定安装面为底面放置在转台6上，调节基准平面镜调节架2，使得测角仪7的光轴与基准平面镜1光轴重合；测角仪7不动，转台水平转动90°，调节靠面平面镜调节架4使得测角仪7的光轴与靠面平面镜3光轴重合；锁紧基准平面镜调节架2和靠面平面镜调节架4，完成垂直度标定。

图4是应用图2所示标定装置测量待测设备9的过程示意图，通过该过程可将待测设备的结构靠面法线与输出光轴的夹角测量出来。具体如下：

首先，将标定装置放置在调平架8上，调平架放置在转台6上，调平测角仪7和基准平面镜1，放上待测设备9于基准平面镜1上，手动调整待测设备9，使结构靠面紧贴靠面平面镜3，利用测角仪7测量待测设备输出光轴的方位值θ1。拆除待测设备9，转台顺时针转动θ2，使靠面平面镜能够被测角仪测得方位；测量此时靠面平面镜的方位值θ3，则待测设备的结构靠面法线与待测设备的输出光轴的水平方位夹角θa＝θ2+(θ3-θ1)。

技术特征：

技术总结
本发明提出了一种用于虚光轴和结构靠面的高精度角度测量系统及方法，能够实现对反光面和非反光面角度的高精度测量。该高精度角度测量系统包括标定装置、测角仪和转台；其中标定装置包括基准平面镜、靠面平面镜和标定座；所述基准平面镜、靠面平面镜通过各自的调节架分别安装于标定座的两个垂直邻接的第一立面、第二立面，标定座还具有与第一立面、第二立面均垂直邻接的第三面，该第三面中部设置有通光孔；在角度测量时所述第一立面作为标定座的底面平放于转台上，基准平面镜作为待测设备的安装底面，靠面平面镜用于引出待测设备结构靠面的法线方向，待测设备的输出光轴通过所述通光孔被测量。

技术研发人员：王海;水泳;江宝坦;陆卫国;肖茂森
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2017.09.07
技术公布日：2018.01.19