一種光學自準直儀快速對準讀數的新方法

唐松，方明，何光武

(中國航天南京晨光計量檢測中心，江蘇南京210006)

0 引言

在大型機械制造領域，各種轉臺的應用是非常普遍的，如大型機床、雷達測試設備、單軸或多軸仿真測試轉臺等，這些設備的轉臺角度定位誤差每年都需要專門的幾何量校準或檢定機構對其進行檢測。

角度計量是計量科學的重要組成部分。隨著激光干涉測量技術的出現以及計算機技術的發展，轉臺角度定位誤差的校準和檢測已經進入了自動化、數字化時代［1］。但由于測試環境和條件的限制，尤其是現場檢測的各種嚴苛要求限制，目前測試人員仍然主要采用光學自準直儀與多面棱體相配合的方式，對各種大型設備的轉臺角度定位誤差進行校準或檢定。

1 光學自準直儀對準讀數的原理

采用光學自準直儀與多面棱體配合，對轉臺角度定位誤差進行檢測的原理如圖1所示。

圖1 轉臺角度定位誤差檢測示意圖

首先將多面棱體安放在轉臺平面上，使多面棱體與轉臺基本處于同心位置;然后調節自準直儀的安放位置，使自準直儀鏡頭軸線穿過棱體工作面的中心，并基本垂直于與棱體的工作面，測試人員即利用測微器手動對準，讀數。操作人員即可開始進行轉臺角度定位誤差的檢測［2］。

光學自準直儀的對準，即經過調整使光學自準直儀的鏡頭軸線穿過棱體工作面的中心，并基本垂直于與棱體的工作面。這樣，自準直儀內燈泡所發出的光經過棱體工作面反射后基本沿原路返回，經物鏡后仍成像在分劃板上，可在自準直儀視場中觀察到。如果棱體工作面不垂直于鏡頭軸線，而是偏過一個小角度θ，如圖2所示，則反射光線與入射光線成2θ 角返回，若2θ 角過大則沒有反射光線通過物鏡，在自準直儀視場中就無法觀察到目標成像。

圖2 自準直儀對準光路圖

圖中L為測量距離，一般遠大于自準直儀物鏡直徑d或棱體工作面高度，則

2 目前的對準方法以及所存在的困難

目前，測試人員在對準時采用目視觀察法。先利用水平儀將多面棱體和光學自準直儀的安裝平面調整至基本平行，然后采用目視的方式使自準直儀與多面棱體基本處于同一高度后，再由測試人員調整自準直儀的鏡頭方向，人眼在自準直儀視場中觀察到目標成像，再利用測微器手動對準、讀數［3］。

從式(1)可以看出，測量距離L越大，θ 越小，則對棱體工作面與自準直儀鏡頭軸線的垂直度要求越高，即手動調整難度越大。實際發現，當測量距離較小(≤1 m)時，熟練的測試人員采用目視觀察法一般10～20 min 即可完成對準。而當測量距離大于1 m，即使是熟練的操作工人一般也需要30 ～60 min 才能完成對準。當測量距離大于3 m 或者多面棱體的安裝面平面度較差時，對準所需的時間甚至會達到2 小時以上。在如圖3所示的測量條件下，需要使用五棱鏡將出射光線轉過90°以后投射到多面棱體工作面上，實驗證明這種情況下利用目視觀察法基本上不可能完成對準。

圖3 利用五棱鏡轉向進行轉臺檢測示意圖

目視觀察法的缺點在于不適用于長距離對準，且需要熟練的測試人員根據豐富經驗來進行，只能以從目鏡中觀測到目標成像為依據，整個對準過程較為抽象不易掌握。熟練程度較差的測試人員所需要的對準時間會大大增加，甚至幾乎無法正確對準。在檢測條件較為惡劣或需要長距離測量時，采用目視觀察法對準會大大降低檢測效率甚至因無法對準而導致檢測失敗。

3 利用激光快速對準的新方法

在實際的檢測過程中，我們逐漸摸索出一種利用激光對準的方法，可完全解決目前對準方法所存在的問題。新方法利用激光的特性，當激光沿自準直儀鏡頭軸線投射到棱體工作面后，若反射回來的光線與出射光線基本重合，則說明自準直儀鏡頭軸線垂直于棱體工作面，即完成對準。

新方法需制作一個對準套筒，由激光組件裝卡在套筒工裝上構成，從套筒邊緣引出激光器導線，由電池盒供電，如圖4所示。

圖4 套筒工裝設計示意圖

采用新方法對準的步驟如下:①利用水平儀使多面棱體安裝面與自準直儀安放平面基本平行(利用五棱鏡轉向的情況下，需調整到基本垂直);②將對準套筒與自準直儀鏡頭連接，激光組件控制器與導線連接;③打開激光組件控制器開關，調整自準直儀和棱體的位置，當激光投射在棱體工作面上的光點位于中心，且由棱體工作面反射到對準套筒靶面上的光點與出射光點基本重合時，即說明對準完成;④將激光組件控制器與導線斷開連接，再將對準套筒拔出，測試人員不需要或只需要對自準直儀稍稍調整，即可在自準直儀視場中觀察到目標成像，再利用測微器手動對準、讀數。

轉臺角度定位誤差校準測試中，測量不確定度由光學自準直儀和多面棱體的測量不確定度所決定，與所采用的對準方法無關。新的對準方法在大大提高對準效率的同時，完全不會影響到測量精度，可以推廣使用。

4 實例分析

在某雷達測試設備的轉臺校準過程中，其中兩個轉臺的角度定位誤差要求為15″。Ⅰ號轉臺高于地面5 m，配有升降車，由于轉臺連接有長約3 m 的擺臂，故角度定位誤差校準時，測試點位于升降車上且測量距離取為3.5 m，屬于中長距離測試。Ⅱ號轉臺高于地面約4 m，無升降車可使用，故測試點位于地面，并采用五棱鏡將光線轉過90°以實現角度定位誤差的校準。在初次校準時，使用傳統的目視觀察法進行自準直儀的對準，Ⅰ號轉臺費時約2.5 h 完成對準，Ⅱ號轉臺費時2 h 仍未完成對準故放棄，校準失敗。再次校準時，由于采用了激光對準套筒，Ⅰ號轉臺僅費時7 min 即完成對準，Ⅱ號轉臺也僅費時10 min 即完成對準。測試實驗證明新的對準方法解決了目前方法所存在的困難，并極大地提高了對準效率。

5 結論

利用帶激光組件的對準套筒完成自準直儀的對準，使整個對準過程變得更加直觀、方便，降低了操作難度，尤其適用于較惡劣現場檢測條件或大型、戶外轉臺測試設備的入廠驗收以及周期檢測等場合。在實際測試過程中，采用新方法進行對準之后，大大提高了對準效率。在長距離或需要五棱鏡改變光路的測量條件下，即使是熟練程度欠佳的操作人員也可在10 min左右完成自準直儀的對準。測試實驗說明，新的對準方法對于提高轉臺角度定位誤差的校準或檢定效率，具有一定的意義。

［1］張琢，李鵬生，強錫富，等.測角技術國內外發展概況［J］.宇航計測技術，1994，13(4):4-11.

［2］盧榮勝，費業泰.用測角儀檢定正多面棱體角度誤差的新方法［J］.宇航計測技術，1998，18(6):14-16.

［3］國防科工委科技質量司.幾何量計量［M］.上.北京:原子能出版社，226-230.