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PPT。

寫什么呢,？

主要是寫機(jī)器的校準(zhǔn)流程,。

因?yàn)樽罱o華為做的測試平臺完成了，給布線部門提供了一份布線資料后,，就開始寫機(jī)器的校準(zhǔn)了,。

這次，用到的校準(zhǔn)工具包括自動準(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,，但是價格卻不便宜，算下來大概要十多萬,。

對我這種不怎么花錢的人來說,，這夠我花個兩三年了。

這,，我是不是應(yīng)該去賣儀器,？

開個玩笑,。

說起準(zhǔn)直儀，其實(shí)之前也用過,。

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,？

這就是今天我要說的。

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

所以它是校準(zhǔn)，或者測量角度的儀器,，原理是什么呢,？

看圖說話。

自動準(zhǔn)直儀的原理

在準(zhǔn)直儀內(nèi)部,，光源Illumination（一般為LED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)格來說，應(yīng)該翻譯成分束器,，不過我覺得分光鏡更直觀,，所以本文就用這個詞。

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，通過物鏡后,，穿過分光鏡,，到達(dá)成像平面Image Plane的原點(diǎn)。

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

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

看一個放大圖就清楚了。

根據(jù)幾何關(guān)系可知Tan2α=d/f,，對于小角度偏轉(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量，來測量鏡子的偏轉(zhuǎn)角度,。

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

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

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

原理就這樣,。

說說我最近的使用案例吧。

我是用自動準(zhǔn)直儀,，來校準(zhǔn)幾個目標(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測量目標(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準(zhǔn)直儀底座，固定在同一個部件上，分光鏡單元不動,，準(zhǔn)直儀底座可以調(diào)整,。

通過調(diào)整底座，可以使準(zhǔn)直儀發(fā)出的刻線光,，經(jīng)過分光鏡,，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,，包含一個分光鏡和一個反射鏡。

左邊是一個分光鏡,，右邊是一個反射鏡。

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。

其原理也很簡單,，說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)過反射,，向上打在待測定的目標(biāo)1上。

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

然后校準(zhǔn)3個目標(biāo),，準(zhǔn)直儀和分光鏡固定不動,，分別調(diào)整3個待校準(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)直儀測量精度是3.3arcsec,，也就是3.3/3600=0.00091667°,。

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

這個問題,，問得很好。

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,。

對于目標(biāo)1,，是可以使用激光位移傳感器來測量校準(zhǔn)的。

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

第二,，因?yàn)椴ＡЭ梢苑垂猓瑫r它體積大,，可以測量多點(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)測量,。

但是，對于目標(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)動軸，校準(zhǔn)的目標(biāo)是找到運(yùn)動軸在哪個位置時,，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),，只是整個校準(zhǔn)中的一部分。

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

比如目標(biāo)1的中心對準(zhǔn),，是用位于目標(biāo)0上的相機(jī)校準(zhǔn)工具,，來看目標(biāo)1上的特征，如果不在中心,，就移動特征（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)玻璃來完成,。

既然都說到這里來了,，我想多提一點(diǎn)，上面有說到,，準(zhǔn)直儀和目標(biāo)平臺,，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1是手動調(diào)整,，平臺2和3是運(yùn)動軸自動調(diào)整,。

說說手動調(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1調(diào)整結(jié)構(gòu)

平臺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),，我們很多時候也會用到，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,，只不過這里用壓簧做預(yù)壓而已,。

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

上次我寫完滾珠絲杠，就有伙伴在后臺留言,，問我導(dǎo)軌的平行度怎么測量,。

當(dāng)時我說，我了解得也不是很多,，讓他去了解一下,，然后告訴我，不知道這個伙伴后來有沒有去了解,。

因?yàn)檫@次我寫這個校準(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)可以用它來測量導(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，也方便下次需要時使用,。

如何用準(zhǔn)直儀測量直線度,？

把準(zhǔn)直儀固定，反光鏡放置在需要檢測的表面上,，沿著測量方向上,，每次移動反光鏡相同的距離，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)直儀測量導(dǎo)軌的平行度,？

測量方法：準(zhǔn)直儀安裝在三角架或者穩(wěn)定平臺上，用90度轉(zhuǎn)光鏡把準(zhǔn)直儀光線轉(zhuǎn)到滑塊運(yùn)動方向,，目的是轉(zhuǎn)變準(zhǔn)直儀刻線投射方向,，并使得測量第二個導(dǎo)軌時,，準(zhǔn)直儀不用動，也就是作為測量兩個導(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,，移動滑塊來測量導(dǎo)軌1的直線度，用同樣的方法,，把轉(zhuǎn)光鏡和反射鏡挪動,，再測量導(dǎo)軌2的直線度，測量完成后,，可以計(jì)算兩個導(dǎo)軌的平行度,。

如何用準(zhǔn)直儀測量平面度？

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

如何用準(zhǔn)直儀測量/校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)平臺的精度,？

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

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，如何測量旋轉(zhuǎn)平臺的精度,？

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

方法是,，旋轉(zhuǎn)平臺到下一面鏡子的名義角度,，比如對于8面鏡，第一面對準(zhǔn)后,，現(xiàn)在需要旋轉(zhuǎn)360/8=45度,，通過轉(zhuǎn)動平臺的編碼器讀取到45度時，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,，用同樣的方法測量其他的面,，這樣就測量了旋轉(zhuǎn)平臺的誤差。

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

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