一種海德漢長度計安裝角度的檢測裝置及檢測方法

2023-12-06 03:40:11 4

專利名稱：一種海德漢長度計安裝角度的檢測裝置及檢測方法
技術領域：
本發明屬於先進光學製造與檢測技術領域，是一種非接觸式測量裝置及測量方 法，它既可以測量垂直安裝的海德漢，也適用於水平安裝的海德漢。
背景技術：
大型光學儀器和設備，無論是空間的還是地面的，近幾年都呈現日益迫切的需求。 隨著航空航天技術發展，作為光學系統關鍵部件的光學鏡面的口徑越來越大，精度越來越 高，對大口徑光學鏡面的製造需要相應的檢測技術要求也越來越來高。對光學鏡面的定量 檢測，尤其是研磨階段檢測技術，成為光學製造過程中的瓶頸之一。這是光學加工過程中急 需解決的問題之一。在研磨階段，主鏡鏡面的面形誤差較大，對測量精度的要求不高，可用紅外幹涉儀 進行幹涉測量或輪廓儀進行檢測。紅外幹涉儀採用大量紅外材料，這些材料不僅製造成本 高，而且在進行幹涉條紋圖像採集時，圖像容易受到機械振動和空氣抖動的影響，對工作環 境的要求比較高，不利於車間檢測。除此之外，在對非球面鏡進行檢測的時候，還必須加裝 補償鏡，這會增加製造成本。比較典型的輪廓儀包括三坐標測量儀以及專門設計的輪廓儀。 三坐標測量儀是用測頭對整個被測面進行接觸式測量，因此測量周期長，測量精度有限、增 加了主鏡檢測搬運的風險，難以適用大口徑的光學元件測量。為解決大口徑鏡面研磨階段的輪廓測量，國內相關研究單位和高校做了大量的研 究工作。其中長春光機所採用雙海德漢長度計加標準平尺的結構，通過對兩個雙海德漢長 度計的差分，實時消除了測量系統誤差，提高了測量精度；並且研製出1800mmX1200mm範圍 內非球面加工中心的在線測量單元，在這方面已取得了突破。但是，海德漢長度計安裝角度 的測量裝置及方法並未見報導。

發明內容
本發明解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種海德漢長度計安裝角 度的檢測裝置及檢測方法，該檢測裝置及檢測方法可以精確測量長度計的安裝角度，提高 海德漢長度計測量鏡面矢高數據的可靠性，具有裝置結構簡單，成本低廉的優點。本發明解決其技術問題所採用的技術方案包括可調底座、(XD、光闌、成像透鏡及 透鏡支架、水平儀和計算機系統；(XD、光闌、成像透鏡及透鏡支架、水平儀均位於可調底座 上；水平儀與可調底座配合使用，使CCD所在平面儘可能的處在水平或垂直方向，其中前者 是用於測量垂直安裝的長度計，而後者是用於測量水平安裝的長度計；成像透鏡及透鏡支 架使海德漢長度計測量杆的球頭成像在CCD上，採用透鏡支架進行調焦；光闌位於海德漢 長度計和成像透鏡及透鏡支架之間，用於限制海德漢長度計測量杆的球頭的成像範圍；所 述計算機系統有兩個功能，一個是用於CCD圖像採集和顯示，另一個是圖像處理和海德漢 長度計安裝角度的計算，計算機系統與CCD相連，用於採集圖像，一次測量需要採集兩幅圖 像，CCD在採集兩幅圖像的過程中不得有任何移動或轉動，海德漢長度計測量杆的球頭處於零位的時候採集一幅，處於非零位的時候採集另一幅，得到球頭在零位和非零位時測量位置的變化量S X，並利用海德漢長度計的數顯即得知球頭在零位和非零位時實際位置的變
化量S Z，根據三角原理即可得出海德漢長度計的安裝角度，安裝角度formula see original document page 4所述可調底座需要二維可調，以方便調整底座與選定的兩個坐標軸的夾角。所述光闌可以是方形孔或圓形孔，其具體的類型和尺寸根據被測目標而定，選擇 的基本原則是儘量只有球頭的像通過，而儘量抑制背景，即CCD採集到的圖像應包含球頭 和儘量簡單的背景。透鏡支架是可調的，用於調焦，以滿足球頭處在不同位置時，它的像剛好處在CXD 平面上，由於只採集兩幅圖像，所以是手動調節即可。這種海德漢長度計安裝角度的檢測方法，步驟如下第一步根據海德漢長度計測量杆的球頭直徑來選擇光闌，以使球頭在不同位置 處都能全部成像在CCD上，而背景儘可能小為準；第二步將水平儀放在可調底座上，使其與可調底座的一邊平行，調整可調底座使 水平儀為水平；然後將水平儀放在與可調底座另一邊平行的位置，調節可調底座使水平儀 為水平，最後將水平儀放回第一位置，觀察水平儀是否依然水平，如果仍然不是水平，則重 復前面的步驟，直到兩個位置均為水平；第三步根據海德漢長度計的理想安裝位置，在可調底座上安裝(XD、成像透鏡及 透鏡支架(3)和光闌，安裝的原則是C⑶平面與海德漢長度計的理想安裝位置垂直；第四步操作海德漢長度計，將其球頭置於零位；調節透鏡支架，使計算機系統採 集到的圖形邊緣最為清晰，用計算機系統採集第一幅圖像，按照同樣的辦法，採集第二幅圖 像；第五步對所採集的圖像進行處理，得到球頭在零位和非零位時測量位置的變化 量S X，並利用海德漢長計度的數顯即得知球頭在零位和非零位時實際位置的變化量δζ，
根據三角原理即可得出海德漢長度計的安裝角度，安裝角度formula see original document page 4^)。本發明的優點在於(1)本發明結構簡單，操作方便，既可以測量水平安裝的角度，也可以測量垂直安 裝的角度。(2)本發明採用成像的方法測量，對光源的時間相干性和空間相干性沒有特別要 求，只需均勻背景光即可保證球頭球心位置的擬合精度。(3)本發明採用的光闌可以更換，以適應不同類型的長度計，由於它遮擋住了圖像 大部分背景，簡化了圖形處理的難度。(4)本發明對可調底座與參考面的夾角不敏感，用水平儀即可完成底座的安裝，因 此調整過程簡單，易於實現。此外，本發明只需一個水平儀就可實現底座的二維調整，成本 低。


圖1為本發明檢測水平安裝海德漢長度計的系統構成示意圖；圖中1為計算機系統，2為高精度(XD，3成像透鏡和相應的支撐結構、4為光闌，5為水平儀的其中一個放置位置，6為可調底座，7為待測海德漢長度計；圖2為本發明安裝角度原理的示意圖(誇張表示)；圖3為本發明中的圖像處理的流程圖；圖4為本發明可調底座的結構示意圖，11為上底板、12為微調螺栓、13為支撐鋼 珠、14為下底板、15為支腳；圖5為本發明可調底座下底板的結構示意圖；圖6是本發明的微調螺栓的結構示意圖；圖7為本發明檢測水平安裝海德漢長度計的系統構成示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，圖1中的海德漢長度計7是水平安裝的。本發明檢測裝置由計算機系 統1、(XD2、成像透鏡及其支架3、光闌4、水平儀5和可調底座6組成。水平儀5位於可調底 座6上，並與可調底座6配合使用，使可調底座6的上表面處於水平位置，進而保證(XD2所 在平面與海德漢的理想安裝位置垂直；成像透鏡及其支架使海德漢長度計7測量杆的球頭 成像在CCD平面上；光闌4用於限制成像的範圍；計算機系統1與高精度CCD2相連，用於採 集和處理圖像，一次測量需要採集兩幅圖像。海德漢長度計7測量杆的球頭處於零位的時 候採集一幅，處於非零位的時候採集另一幅，通過分析兩幅圖上球頭的測量位置的變化量， 並利用球頭的實際位置變化量，根據是三角原理即可得出海德漢長度計7的安裝角度。其中的計算機系統1主要完成兩個功能，一個是圖像的採集和顯示；另一個是圖 像的分析和角度計算，這需要人工完成。系統中採用的光闌4是可更換的，在測量過程中需 要根據實際情況進行選擇，目的是儘量減少成像到CCD上的背景；在拍攝兩幅圖像的時候， 都需要調焦，以便使球頭的像剛好落在CCD2的平面上；在拍攝兩幅圖像的過程中，除球頭 和用於支撐透鏡進行調焦的支架以外的部件不能有位移或轉動。計算安裝角度的原理如圖2所示，其中的ZO和Zl分別表示零位和非零位時海德 漢長度計測量杆球頭的球心，XO和Xl分別是球心在各自位置向參考面的投影；計算機系統1具體的圖像採集過程如下(1)將海德漢長度計7測量杆置於零位，在調好焦距後，計算機系統1發出數據採 集命令，採集(XD2上面的數據，並且存入計算機系統1內部，這是第一幅圖像，這時海德漢 長度計7測量杆球頭的實際位置為Z0，這一個值可以從海德漢長度計的數顯中獲得，這一 坐標與圖2中的ZO對應。(2)控制海德漢長度計7，使其測量杆位於非零位，調節焦距，計算機系統1發出數據採集命令，採集(XD2上面的數據，並且存入計算機系統1，這是第二幅圖像，這時海德漢 長度計7測量杆球頭的實際位置為Z1，這一坐標與圖2中的Zl對應，測量杆球頭的實際位 置變化量等於Z1-Z0，至此計算機系統1已經完成灰度圖像的採集。如圖3所示，計算機系 統1處理圖像和計算安裝角度的過程如下(1)圖像的預處理即圖像平滑處理，這一步的主要目的是減少圖像噪聲，提高邊緣檢測的精度；(2)進行二值化，即將灰度圖轉化成只有0、1的二值圖。這一步直接調用MATLAB 中的im2bw命令即可完成，im2bw命令所要求的閾值，可根據實際情況進行選擇，但一般使用graythreshO計算得到；(3)邊緣檢測，目的是得出球頭的輪廓，為圓心的擬合做準備；這一步直接調用 MATLAB中的edgeO命令即可完成，其中，算子一般選擇sobel算子；之後需對圖像的聯通 區域進行標註，方便圓心的擬合，這一步需調用MATLAB中的bwlabel 命令；(4)用最小二乘法進行圓心擬合，圓心與圖2中的χ坐標相對應。假設第一次得到 的圓心為X0，重複前面步驟，得到第二個圓心X1，X1-X0就是球頭測量位量變化量在CXD平 面上的投影；(5)海德漢長度計測量杆球頭在CXD平面上的位置變化量δ χ = Xl-XO、球頭在與 C⑶平面垂直的平面內兩個位置的高度差、測量杆球頭的實際位置變化量δ ζ = Zl-ZO三者 之間呈直角三角形，如圖2所示。根據直角三角形的性質，可以用下面的表達式來計算海德 漢長度計的安裝角度
formula see original document page 6
如圖4所示，本發明的可調底座6的三維結構示意圖，它的主要零件有上底板11、 下底板14、支腳15、微調螺栓12和鋼珠13。上下底板通過一個鋼珠聯接在一起，下底板是 基準面，上底板在鋼珠上實現角度調整；整個結構有4個支腳，它們主要是用於粗調角度； 雖然設計4個微調螺栓孔，但是在微調角度的時候只需要使用其中相鄰的兩個；鋼珠、微調 螺栓和支腳的位置關係如圖5所示。圖5為本發明可調底座下底板的結構示意圖，其中a、 b、c、d為四個支腳的安裝位置，e、f、g、h為4個微調螺栓的安裝位置，i為支撐鋼珠的安裝 位置；微調螺栓雖有4個，但是微調時，只使用其中相鄰的兩個，其餘兩個是在微調後固定 上下底板相對位置的。微調螺栓的標號方法如圖5所示。可調底座6的微調的工作原理在調整角度時 需要鬆開兩個相鄰的微調螺栓，比如鬆開編號為e和f的兩個螺栓，上下底板實際接觸的點 只有三個g號螺栓、h號螺栓和支撐鋼珠，轉動任意一個螺栓即可實現上底板繞支撐鋼珠 與另一個螺栓所在的方向轉動。本發明檢測方法的工作過程以及檢測步驟如下第一步根據海德漢長度計7測量杆的球頭直徑來選擇光闌，以球頭在不同位置 處都能全部成像在(XD2上，而背景儘可能小為準；第二步調整可調底座，使其上表面為水平，其具體步驟為分別轉動四個支腳進 行粗調，大致調平以後，鬆開四個微調螺栓中相鄰的兩個，如e號與f號；將水平儀5放在可 調底座6上，使其與g號螺栓與支撐鋼珠所在方向平行，轉動h號微調螺栓，使水平儀5為 水平；然後將水平儀5放在與h號螺栓與支撐鋼珠所在方向平行，轉動g號微調螺栓使水平 儀5為水平，最後將水平儀5放回前一位置，看它是否依然水平，如果不是水平，則重複前面 的步驟，直到兩個位置都為水平。完成後，轉動另外兩個微調螺栓，固定上底板的位置。微 調螺栓的結構如圖6所示，該螺栓的螺杆的上部，即球頭一端，為光杆，下部有螺紋，它的長 度由可調底座的6的下底板14的厚度決定，最下端即呈長方體的部分供扳手使用的；微調 螺栓頂部的球頭與孔配合實現轉動；它的下部非螺紋部分與孔為間隙配合，避免轉動過程 中上底板與它卡死。第三步根據海德漢長度計7的理想安裝位置，在可調底座6上安裝(XD2、成像透鏡和透鏡支架3和光闌4，安裝的原則是(XD2的平面與海德漢長度計7的理想安裝位置垂裝置。第四步操作海德漢長度計7，將球頭置於零位；調節透鏡支架，使計算機系統1採 集到的圖形邊緣最為清晰，用計算機系統1採集第一幅圖像。按照同樣的辦法，採集第二幅 圖像。第五步對圖像進行處理，得出球頭測量位置變化量δ χ，結合球頭的實際位置變
化量52，可以計算出安裝角度formula see original document page 7本發明檢測垂直安裝海德漢長度計的系統示意圖(除計算機系統和水平儀)如圖 7所示，圖中的組件為有高精度(XD2、成像透鏡和相應的支撐結構3、光闌4，可調底座6， 待測海德漢長度計7 ；與圖1相比，二者的唯一的區別是可調底座6與(XD2、成像透鏡及相 應的支撐結構3和光闌4的組合方式不同，圖7中CCD平面與可調底座6的平面平行，而圖 1中二者之間的關係是垂直的；其它的，如可調底座的調整方式、計算機採集和處理圖像的 過程、檢測原理和檢測步驟等，完全一樣。需要注意的只有一點可調底座也是水平的。
權利要求
海德漢長度計安裝角度的檢測裝置，其特徵在於包括可調底座(6)、CCD(2)、光闌(4)、成像透鏡及透鏡支架(3)、水平儀(5)和計算機系統(1)；CCD(2)、光闌(4)、成像透鏡及透鏡支架(3)、水平儀(5)均位於可調底座(6)上，水平儀(5)與可調底座(6)配合使用，使CCD(2)所在平面儘可能的處在水平或垂直方向；成像透鏡及透鏡支架(3)使海德漢長度計(7)測量杆的球頭成像在CCD(2)上，採用透鏡支架進行調焦；光闌(4)位於海德漢長度計(7)和成像透鏡及其支架(3)之間，用於限制海德漢長度計(7)測量杆的球頭的成像範圍；所述計算機系統(1)有兩個功能，一個是用於CCD(2)圖像採集和顯示，另一個是圖像處理和海德漢長度計(7)安裝角度的計算，計算機系統(1)與CCD(2)相連，用於採集圖像，一次測量需要採集兩幅圖像，CCD(2)在採集兩幅圖像的過程中不得有任何移動或轉動，海德漢長度計(7)測量杆的球頭處於零位的時候採集一幅，處於非零位的時候採集另一幅，得到球頭在零位和非零位時測量位置的變化量δx，並利用海德漢長度計(7)的數顯即得知球頭在零位和非零位時實際位置的變化量δz，根據三角原理即可得出海德漢長度計(7)的安裝角度，安裝角度FSA00000110091300011.tif
2.根據權利要求1所述的海德漢長度計安裝角度的檢測裝置，其特徵在於所述可調 底座(6)為二維可調，它與水平儀(5)結合使用可以使水平儀(5)上平面與水平面平行。
3.根據權利要求1所述的海德漢長度計安裝角度的檢測裝置，其特徵在於所述光闌(4)採用方形孔或圓形孔，可根據不同的測量目標而更換。
4.根據權利要求1所述的海德漢長度計安裝角度的檢測裝置，其特徵在於所述的 CCD(2)、成像透鏡及透鏡支架(3)和光闌(4)為一體，它們與可調底座(6)分開。
5.海德漢長度計安裝角度的檢測方法，其特徵在於步驟如下第一步根據海德漢長度計(7)測量杆的球頭直徑來選擇光闌(4)，以使球頭在不同位 置處都能全部成像在CXD (2)上，而背景儘可能小為準；第二步將水平儀(5)放在可調底座(6)上，使其與可調底座(6)的一邊平行，調整可 調底座(6)使水平儀(5)為水平；然後將水平儀(5)放在與可調底座(6)另一邊平行的位 置，調節可調底座(6)使水平儀(5)為水平，最後將水平儀(5)放回第一位置，觀察水平儀(5)是否依然水平。如果不是水平，則重複前面的步驟，直到兩個位置均為水平；第三步根據海德漢長度計(7)的理想安裝位置，在可調底座(6)上安裝CCD (2)、成像 透鏡及透鏡支架(3)和光闌(4)，安裝的原則是CCD(2)所在平面與海德漢長度計(7)的理 想安裝位置垂直；第四步操作海德漢長度計(7)，將其球頭置於零位；調節透鏡支架，使計算機系統(1) 採集到的圖形邊緣最為清晰，用計算機系統(1)採集第一幅圖像，按照同樣的辦法，採集第二幅圖像；第五步對所採集的圖像進行處理，得到球頭在零位和非零位時測量位置的變化量 S X，並利用海德漢長計度(7)的數顯即得知球頭在零位和非零位時實際位置的變化量δ Z，根據三角原理即可得出海德漢長度計(7)的安裝角度，安裝角度0 = arcsin(i)。
全文摘要
海德漢長度計安裝角度的檢測裝置及檢測方法，包括可調底座、高精度CCD、光闌、成像透鏡及其支架、水平儀和計算機系統。水平儀和可調底座配合使用，使高精度CCD所在平面儘可能的處在水平或垂直方向；成像透鏡及其支架使海德漢長度計測量杆的球頭成像在CCD上；光闌用於限制成像的範圍；計算機系統與高精度CCD相連，用於採集和分析圖像。一次測量需要採集兩幅圖像。海德漢長度計測量杆的球頭處於零位的時候採集一幅，處於非零位的時候採集另一幅。通過分析兩幅圖上球頭位置的變化量，並利用球頭的實際位置變化量，根據三角原理即可得出海德漢長度計的安裝角度。本發明可以精確測量長度計的安裝角度，提高海德漢長度計測量數據的可靠性，具有裝置結構簡單，成本低廉的優點。
文檔編號G01M11/00GK101825449SQ20101016718
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者周家斌, 張宜春, 範斌 申請人:中國科學院光電技術研究所