一種大量程端度孔徑測量瞄準裝置的設計

武文彬，任冬梅，李華豐

（中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

對于端度、間隙、步距規及環規類內外孔徑[1]、圓柱外徑等幾何尺寸的定位通常采用非接觸光學瞄準[2]的方法。而瞄準裝置的工作距離決定和限制了被測件尺寸的大小。

一般的端度類產品面寬度范圍及孔徑類測量產品的內尺寸測量范圍在100 mm以下，不能對較大尺寸的孔徑類及端度類產品進行檢測，因此本文通過設計一種大量程瞄準裝置，采用光路仿真計算的方法增大其測量量程，使其尺寸測量范圍達到3～300 mm。

1 端度孔徑測量儀組成

端度及孔徑測量儀主要由激光干涉測長系統[3]、光電顯微瞄準裝置、直線導軌、調整工作臺、環境溫度測量控制、軟件算法等部分組成，端度孔徑測量儀整體結構圖如圖1所示。限制端度孔徑測量儀量程測量范圍的主要原因是光電顯微瞄準裝置的工作距離，采用增大光電顯微瞄準裝置工作距離的設計方法，并且需對與瞄準系統相配的可調工作臺等機械部件進行重新設計。被測件置于可調工作臺上，工作臺帶動待測件進行移動，將待測件移動至光電顯微瞄準裝置視場范圍內，通過調整工作臺及其微調機構使得待測件的被測面被精確瞄準。

圖1 端度孔徑測量儀示意圖

2 端度孔徑測量瞄準裝置光學設計

2.1 瞄準裝置光路設計

大焦距光電顯微瞄準裝置光學系統光路如圖2所示，光學系統設計主要由照明光源、聚光鏡組、顯微鏡組、觀察鏡組、狹縫、光電倍增管和電子處理模塊等組成。

圖2 光電顯微瞄準裝置光路圖

系統由鹵素燈照明，光源發出的光線由光纖傳輸，經聚光鏡組照射在目標分劃板上，分劃板上的圖形（刻線）經過投影顯微物鏡組縮小后成像在光電顯微光路的物平面上（此平面即被測件的測量面），形成一個縮小的實像像點。此像點經過工件被測面的反射，測量顯微物鏡組將其放大、還原后再次分別成像在目鏡分劃板和狹縫上。呈現在目鏡上的圖像用來安裝被測件，呈現在狹縫上的圖像用來進行電子瞄準。當移動被測面，成像在狹縫上的反射像總有一個位置使得在狹縫中兩邊的通光面積相等，此位置即為瞄準位置。為提高瞄準精度，系統在狹縫后方采用光電倍增管將接收到的光通量轉化成電信號并進行瞄準信號的處理。

根據大焦距光電顯微瞄準原理，在瞄準直線端面時，是以影像位于振動狹縫中心位置為瞄準點；在瞄準內孔時，由于內孔的瞄準面不是直線而是圓弧表面，在其反射時就會使目標像發生變形，形成圓弧瞄準像。因光電倍增管仍是對振動狹縫兩邊的光強度變化進行瞄準，故而會產生瞄準誤差。當光電倍增管接收到目標像兩邊的光強相等，也就是狹縫被目標像均分成兩塊相等的面積就認為目標被瞄準。

綜上，設計采用李斯特型物鏡作為瞄準顯微光路的顯微物鏡，數值孔徑NA設計在0.3以下[4]，后焦距的大小決定了光電顯微瞄準裝置的工作范圍，增大焦距可實現大量程的瞄準。

圖3 大焦距顯微物鏡組光路圖

2.2 瞄準裝置光路設計質量仿真分析

光學像差關乎光學系統的成像質量，沒有良好的成像質量，光學系統很難達到高精度的測量要求。因此控制光學像差十分重要。光學系統的像差[5]可以分成單色像差及色差。單色像差分為影響成像清晰度的球差、彗差、象散、場曲，以及影響物象相似度的畸變；色差主要是位置色差和倍率色差。光學像差種類是很多的，光學設計時也不可能全部消除，因此根據系統的需要，對影響較大的像差加以控制，對其它像差可適當放寬。幾何像差對CCD光電準直系統測量有直接影響，但在光學系統設計時控制球差和正弦差也很重要，因為這兩項除了直接影響成像質量外，慧差和畸變也都與它們的存在有關，因此對光電顯微瞄準裝置光路進行仿真分析，如圖4～圖8所示。

圖4 顯微物鏡組扇面曲線圖

圖5 場曲和畸變

圖6 光學RMS點列圖

圖7 MTF圖

圖8 光學系統能量圖

由圖4、圖5中可見球差及畸變優化得很小，不存在離焦現象，由圖6和圖7可見彌散斑大小接近艾里斑直徑，系統的分辨率高，成像質量好，由圖8可知能量分布滿足設計要求。通過大焦距光電顯微瞄準裝置的設計，增大瞄準裝置的工作距離，實現了對大端面和大孔徑環規類被測件的瞄準，在光學設計上擴大了測量量程。

3 端度孔徑測量瞄準裝置配套機械結構設計

3.1 光電顯微瞄準裝置主體結構設計

光電顯微瞄準裝置機械設計結構如圖9所示，根據光路設計和光電工作原理，配合設計光電顯微瞄準裝置的機械結構。光源產生的光束，通過光纖連接在光纖管座上，為顯微瞄準裝置提供照明。在定位管和投影物鏡管相交處安裝反射鏡，通過反射鏡支撐座進行調節。由反射鏡反射的光束通過投影物鏡管，在被測面相交，通過被測點交匯，傳到顯微物鏡管，在分光鏡位置通過分光鏡組，由成像系統（顯微物鏡鏡組）成像在狹縫面上。測量時，刻線所成的像勻速掃過狹縫，信號由光電倍增管接收。光電顯微瞄準裝置機械部件力學有限元仿真設計結果如圖10所示。

圖9 光電顯微瞄準裝置機械結構

圖10 光電顯微瞄準裝置有限元仿真分析圖

光源系統主要是為光電顯微瞄準裝置提供照明，形成光束后通過光纖傳導，如圖11所示。作為光源部件安裝在端度孔徑測量裝置支撐架中并固定。

圖11 光電顯微瞄準裝置光源結構設計

3.2 光電顯微瞄準裝置連接配件結構設計

光電顯微瞄準裝置的連接機構結構如圖12所示，光電顯微瞄準裝置主體經過位移導軌與立柱相連，由于量程增大導致光路焦距變長，所以整體光路的機械配件也變長，整體探出部分增加，而探出的瞄準裝置主體類似懸臂結構，這種結構的變形量會隨其長度增加而變大，容易造成光學鏡組發生偏心和移動，導致光軸發生偏移，影響瞄準精確度。為避免這種情況，在設計時需選擇輕質材料來降低整體質量，提高抗變形強度。同時連接裝置的結構設計為可以隨位移導軌準確調整上下位置，這樣在瞄準過程中，可以實現沿光軸方向的定位。

圖12 光電顯微瞄準裝置連接結構設計圖

根據端度孔徑測量裝置的光路設計，上下鏡筒同軸度會影響裝配物鏡的偏心，偏心應在微米量級并盡量縮小。為減小物鏡鏡筒同軸度誤差，應當對鏡筒的圓度加以要求，安裝時避免偏心，鏡筒變形量盡量保持在微米量級以下。

滑架設計有與燕尾導軌配合的燕尾槽，光電顯微瞄準裝置安裝孔，將滑架作為可移動導軌使用，如圖13所示。調節手輪與齒輪軸連接，齒輪軸設計為一體式與滑架安裝孔配合設計，并通過立柱上的齒條實現調節運動。為實現對其與燕尾槽配合的間隙進行調整，采用鑲條結構設計。為配合大量程光電顯微瞄準裝置的瞄準，應使滑架在導軌上實現較大距離運動，通過鎖緊手柄實現相對運動的鎖緊固定。

圖13 滑架結構設計圖

圖14 微調整工作臺設計圖

3.3 光電顯微瞄準裝置調整配件結構設計

端度孔徑測量瞄準裝置對被測面瞄準時，被測面應平行于光電顯微瞄準裝置的主光軸，并且被測件反射像與視場內的刻線調平行。在瞄準過程中，采用一種機械工作臺配件的設計方式來實現被測件移動的操作。對微調整工作臺進行設計，調整工作臺安裝在氣浮滑臺上，其整體結構如圖14所示。工作臺可為被測面提供細微調整，并且在平面內進行移動和旋轉，配合實現對被測表面的瞄準。

其余機械結構既不是實現大量程也不是實現高準確度瞄準的關鍵部件，本文不在此贅述。

4 結語

本文提出一種大量程端度孔徑測量瞄準裝置的設計方法。通過對光電顯微瞄準裝置光路的設計從根本上實現大量程瞄準，并且在機械上配合大量程瞄準的設計。分析了端度孔徑測量裝置主要的組成構件，并對其主要組成構件光電顯微瞄準裝置光路、機械、連接配件、調整部件分別進行了設計，使其可以對端度和孔徑類達到3～300 mm尺寸范圍的被測件進行瞄準。