準(zhǔn)直儀的原理是什么,？有哪些典型應(yīng)用？含實(shí)際案例分享

羅羅日記 · 發(fā)表于 2020-6-20 10:47:06

這幾天，我都在寫(xiě)PPT,。

寫(xiě)什么呢？

主要是寫(xiě)機(jī)器的校準(zhǔn)流程,。

因?yàn)樽罱o華為做的測(cè)試平臺(tái)完成了,，給布線部門(mén)提供了一份布線資料后,，就開(kāi)始寫(xiě)機(jī)器的校準(zhǔn)了。

這次,，用到的校準(zhǔn)工具包括自動(dòng)準(zhǔn)直儀,，以及與之相配的分光鏡，當(dāng)然還有確定高度的激光位移傳感器,，以及一些校準(zhǔn)玻璃和工件,。

東西不多，但是價(jià)格卻不便宜,，算下來(lái)大概要十多萬(wàn),。

對(duì)我這種不怎么花錢(qián)的人來(lái)說(shuō)，這夠我花個(gè)兩三年了,。

這,，我是不是應(yīng)該去賣(mài)儀器？

開(kāi)個(gè)玩笑,。

說(shuō)起準(zhǔn)直儀,，其實(shí)之前也用過(guò)。

但是,，它的原理是什么,？在機(jī)械領(lǐng)域有哪些典型的應(yīng)用？

這就是今天我要說(shuō)的,。

準(zhǔn)直儀,，顧名思義，就是看目標(biāo)垂不垂直,，和誰(shuí)垂直,？和準(zhǔn)直儀的光軸垂直。

所以它是校準(zhǔn),，或者測(cè)量角度的儀器,，原理是什么呢？

看圖說(shuō)話,。

自動(dòng)準(zhǔn)直儀的原理

在準(zhǔn)直儀內(nèi)部,，光源Illumination（一般為L(zhǎng)ED或者激光）發(fā)出的光，照射到目標(biāo)刻線Object Reticle上,，而后到達(dá)分光鏡Beam Splitter,，并被反射到物鏡Objective Lens上，然后從準(zhǔn)直儀射出,，打在反射鏡上,。

Beam Splitter，其實(shí)嚴(yán)格來(lái)說(shuō),，應(yīng)該翻譯成分束器,，不過(guò)我覺(jué)得分光鏡更直觀,，所以本文就用這個(gè)詞。

如果反射鏡和光軸垂直（如圖中豎直紅色線）,，那么刻線被反射回去，按照紅線路徑,，通過(guò)物鏡后,，穿過(guò)分光鏡，到達(dá)成像平面Image Plane的原點(diǎn),。

如果反射鏡傾斜一個(gè)角度α,，那么刻線將按藍(lán)色路徑反射回去，最終不會(huì)落在像平面的原點(diǎn),，而會(huì)落在距離原點(diǎn)為d的位置,。

需要注意的是，傾斜鏡子反射回的光,，與原來(lái)光軸夾角不是α了,，而是變成了2α，為什么呢,？

看一個(gè)放大圖就清楚了,。

根據(jù)幾何關(guān)系可知Tan2α=d/f，對(duì)于小角度偏轉(zhuǎn),，數(shù)學(xué)上有2α=d/f,，即α=d/2f。

所以,，可以根據(jù)像平面上的十字刻線移動(dòng)量,，來(lái)測(cè)量鏡子的偏轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)然,，實(shí)際的自動(dòng)準(zhǔn)直儀（Autocollimator）,，像平面上是成像傳感器，可以探測(cè)返回刻線的偏移量,。

而且鏡子放置在待測(cè)物件上,，一般返回刻線的偏移，是X,，Y方向同時(shí)偏移,，所以d＝√（X^2+Y^2）。

如果要用于測(cè)量或者校準(zhǔn),，可以先把準(zhǔn)直儀放在可調(diào)整平臺(tái),，調(diào)整初始位置，使得返回刻線和零位重合,，再移動(dòng)鏡子測(cè)量其角度變化,，進(jìn)而反應(yīng)出待測(cè)量,。

原理就這樣。

說(shuō)說(shuō)我最近的使用案例吧,。

我是用自動(dòng)準(zhǔn)直儀,，來(lái)校準(zhǔn)幾個(gè)目標(biāo)的平行度。

原理如下圖,。

準(zhǔn)直儀校準(zhǔn)平行度的原理

首先是設(shè)定基準(zhǔn)0,，就是用激光位移傳感器來(lái)測(cè)量目標(biāo)0的底面，使得其高度在345mm±30um范圍以內(nèi),。這里的激光位移傳感器重復(fù)性是2um,。

然后以此為基準(zhǔn)，調(diào)整準(zhǔn)直儀：把分光鏡單元和自動(dòng)準(zhǔn)直儀底座,，固定在同一個(gè)部件上,，分光鏡單元不動(dòng)，準(zhǔn)直儀底座可以調(diào)整,。

通過(guò)調(diào)整底座,，可以使準(zhǔn)直儀發(fā)出的刻線光，經(jīng)過(guò)分光鏡,，打在位于基準(zhǔn)目標(biāo)0上的反光玻璃面上,，然后反射回準(zhǔn)直儀原點(diǎn)。

此分光鏡單元,，包含一個(gè)分光鏡和一個(gè)反射鏡,。

左邊是一個(gè)分光鏡，右邊是一個(gè)反射鏡,。

什么是分光鏡（Beam Splitter）,？

分光鏡／分束器

分光鏡就是把一束光，分成兩束光的光學(xué)元件,。

其原理也很簡(jiǎn)單,，說(shuō)穿了就是反射和折射。

例如我這里,，把從左邊進(jìn)入的光線,，分成向右的透射光束，和向下的反射光束,，各占50%的光（B270超白玻璃并鍍膜）,。

向右的光束再經(jīng)過(guò)反射，向上打在待測(cè)定的目標(biāo)1上,。

而向下的光束,，直接打在待測(cè)定的目標(biāo)2和3上，2和3分別單獨(dú)測(cè)定,。

然后校準(zhǔn)3個(gè)目標(biāo),，準(zhǔn)直儀和分光鏡固定不動(dòng),，分別調(diào)整3個(gè)待校準(zhǔn)目標(biāo)的傾斜度，使其返回的十字刻線,，回落在準(zhǔn)直儀的原點(diǎn),，校準(zhǔn)完成。

當(dāng)然,，這里是通過(guò)相機(jī)傳感器抓取圖像,，然后在軟件上顯示的原點(diǎn)。

準(zhǔn)直儀測(cè)量精度是3.3arcsec,，也就是3.3/3600=0.00091667°。

細(xì)心的你,，也許會(huì)問(wèn),，既然可以用激光位移傳感器來(lái)校準(zhǔn)目標(biāo)0，那么為什么不直接用激光傳感器來(lái)校準(zhǔn)目標(biāo)1,，2,，3呢？

這個(gè)問(wèn)題,，問(wèn)得很好,。

其實(shí)，這里的目標(biāo)1,，是很大的玻璃,，有點(diǎn)像我之前在同步帶那篇文章中所提到的玻璃。

對(duì)于目標(biāo)1,，是可以使用激光位移傳感器來(lái)測(cè)量校準(zhǔn)的,。

第一，測(cè)量精度夠用,，而且測(cè)量高度在傳感器的測(cè)量范圍以內(nèi),，250mm～1000mm。

第二,，因?yàn)椴ＡЭ梢苑垂�,，同時(shí)它體積大，可以測(cè)量多點(diǎn),。

第三,，在機(jī)器底板上有放置傳感器的空間，容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量,。

但是,，對(duì)于目標(biāo)2和目標(biāo)3，就不那么容易了,。

因?yàn)槟繕?biāo)2和3都是6自由度運(yùn)動(dòng)軸,，校準(zhǔn)的目標(biāo)是找到運(yùn)動(dòng)軸在哪個(gè)位置時(shí),，末端的夾子或者吸嘴處于水平狀態(tài)。

所以激光位移傳感器不太適合了,，反倒是準(zhǔn)直儀更適合,。

校準(zhǔn)也只需要用很小的玻璃，放置在校準(zhǔn)工具上就可以了,。

當(dāng)然,，水平校準(zhǔn)，只是整個(gè)校準(zhǔn)中的一部分,。

其實(shí)全部的校準(zhǔn),，還包括中心對(duì)準(zhǔn)，以及一些關(guān)鍵工藝的工藝位置校準(zhǔn),，不過(guò)是用其他的校準(zhǔn)工具來(lái)完成的,。

比如目標(biāo)1的中心對(duì)準(zhǔn)，是用位于目標(biāo)0上的相機(jī)校準(zhǔn)工具,，來(lái)看目標(biāo)1上的特征,，如果不在中心，就移動(dòng)特征（這里更關(guān)心的是特征位置,，而不是玻璃板的位置）,。

目標(biāo)2和3的中心對(duì)準(zhǔn)，是用位于目標(biāo)0上的相機(jī)校準(zhǔn)工具,，向下看位于2和3上,，有一定特征圖案的校準(zhǔn)玻璃來(lái)完成。

既然都說(shuō)到這里來(lái)了,，我想多提一點(diǎn),，上面有說(shuō)到，準(zhǔn)直儀和目標(biāo)平臺(tái),，都是需要調(diào)整傾斜度的,。

但是，它們的調(diào)整方式有些不一樣,。

準(zhǔn)直儀和平臺(tái)1是手動(dòng)調(diào)整,，平臺(tái)2和3是運(yùn)動(dòng)軸自動(dòng)調(diào)整。

說(shuō)說(shuō)手動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)吧,，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu),，在很多需要調(diào)整的地方使用頻繁，通用性強(qiáng),。

平臺(tái)1調(diào)整結(jié)構(gòu)

平臺(tái)1的傾斜度調(diào)整結(jié)構(gòu)如上圖,。

被調(diào)整目標(biāo)放在被調(diào)整板上，調(diào)整前，鎖緊螺母和鎖緊螺釘處于放松狀態(tài),，擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘,，可以改變調(diào)整板在此點(diǎn)的高低，從而實(shí)現(xiàn)傾斜度的調(diào)整,，調(diào)節(jié)螺釘調(diào)到恰當(dāng)?shù)奈恢煤�,，擰緊鎖緊螺母和螺釘。

當(dāng)然,，下面的第二種結(jié)構(gòu),，我們很多時(shí)候也會(huì)用到,，它常常用于結(jié)構(gòu)緊湊，且重量不是很大的調(diào)節(jié)中,。

是不是很簡(jiǎn)單,。

準(zhǔn)直儀傾斜度調(diào)整結(jié)構(gòu)的原理,，其實(shí)和我之前在《機(jī)器人末端的快換裝置,，有哪些設(shè)計(jì)要點(diǎn),？》中提到的結(jié)構(gòu)V1.0，有相同的定位原理,。

就是用三個(gè)V形槽，和端部帶球面的調(diào)整螺釘配合調(diào)整Rz,，Ry角度,，只不過(guò)這里用壓簧做預(yù)壓而已。

上面說(shuō)了我這次校準(zhǔn)的應(yīng)用,，其實(shí),，準(zhǔn)直儀還有更多的應(yīng)用。

上次我寫(xiě)完滾珠絲杠,，就有伙伴在后臺(tái)留言,，問(wèn)我導(dǎo)軌的平行度怎么測(cè)量。

當(dāng)時(shí)我說(shuō),，我了解得也不是很多,，讓他去了解一下，然后告訴我,，不知道這個(gè)伙伴后來(lái)有沒(méi)有去了解,。

因?yàn)檫@次我寫(xiě)這個(gè)校準(zhǔn)流程，自然就多了解了一下準(zhǔn)直儀的應(yīng)用,，發(fā)現(xiàn)其實(shí)可以用它來(lái)測(cè)量導(dǎo)軌的平行度,。

當(dāng)然還有一些其他更多的應(yīng)用，我在這里記錄一下,，也方便下次需要時(shí)使用,。

如何用準(zhǔn)直儀測(cè)量直線度？

把準(zhǔn)直儀固定，反光鏡放置在需要檢測(cè)的表面上,，沿著測(cè)量方向上,，每次移動(dòng)反光鏡相同的距離，例如50mm,，在準(zhǔn)直儀上讀出刻線的變化量,，依次測(cè)量出每一段的高低變化，也就得出直線度,。

如何用準(zhǔn)直儀測(cè)量導(dǎo)軌的平行度,？

測(cè)量方法：準(zhǔn)直儀安裝在三角架或者穩(wěn)定平臺(tái)上，用90度轉(zhuǎn)光鏡把準(zhǔn)直儀光線轉(zhuǎn)到滑塊運(yùn)動(dòng)方向,，目的是轉(zhuǎn)變準(zhǔn)直儀刻線投射方向,，并使得測(cè)量第二個(gè)導(dǎo)軌時(shí)，準(zhǔn)直儀不用動(dòng),，也就是作為測(cè)量?jī)蓚€(gè)導(dǎo)軌運(yùn)行平行度的統(tǒng)一基準(zhǔn),。

然后把反射鏡安裝在滑塊上，移動(dòng)滑塊來(lái)測(cè)量導(dǎo)軌1的直線度,，用同樣的方法,，把轉(zhuǎn)光鏡和反射鏡挪動(dòng)，再測(cè)量導(dǎo)軌2的直線度,，測(cè)量完成后,，可以計(jì)算兩個(gè)導(dǎo)軌的平行度。

如何用準(zhǔn)直儀測(cè)量平面度,？

沿多個(gè)方向測(cè)量出直線度,，再計(jì)算出平面度。測(cè)量的方向構(gòu)成一個(gè)口里有米的圖案,，如下,。最后再做數(shù)據(jù)處理，完成平面度的測(cè)量,。

如何用準(zhǔn)直儀測(cè)量/校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的精度,？

多邊形基準(zhǔn)鏡，用于測(cè)量或者校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的精度,。

用得多的是8,，12，16邊形鏡,，因?yàn)槎噙呅午R也不準(zhǔn),，所以通常會(huì)有一張校準(zhǔn)表，表示實(shí)際的角度,。感興趣的可以去了解一下多邊形鏡的校準(zhǔn)方法,。

接下來(lái),，如何測(cè)量旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的精度？

把鏡子安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,，用鏡子的中心孔定位,，然后旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使鏡子的某一面對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)直儀,，使反射的十字光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)直儀原點(diǎn),，這時(shí)，初始角度就設(shè)定好了,，把旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的編碼器讀數(shù)清零,，接下來(lái)就可以開(kāi)始測(cè)量鏡子角度誤差了。

方法是,，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)到下一面鏡子的名義角度,，比如對(duì)于8面鏡，第一面對(duì)準(zhǔn)后,，現(xiàn)在需要旋轉(zhuǎn)360/8=45度,，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的編碼器讀取到45度時(shí)，停止旋轉(zhuǎn),，然后在準(zhǔn)直儀上讀取光標(biāo)的偏移量,，用于計(jì)算鏡子角度的偏差。依次轉(zhuǎn)動(dòng),，用同樣的方法測(cè)量其他的面,，這樣就測(cè)量了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的誤差。

還有一種測(cè)量方法,，是轉(zhuǎn)動(dòng)到某一個(gè)面后，使得準(zhǔn)直儀中的讀數(shù)是零,，這時(shí)候編碼器的讀數(shù)角度和名義角度的差就是誤差,。

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