極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)及測量方法
【專利摘要】一種極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)及測量方法，所述測量系統(tǒng)由立柱、止推軸承、旋轉(zhuǎn)臂、調(diào)整裝置、負(fù)載平臺、光學(xué)測量系統(tǒng)、伺服電機(jī)、圓弧導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和直線電機(jī)組成，立柱頂端安裝有止推軸承，旋轉(zhuǎn)臂一端通過止推軸承固定在立柱上，另一端通過導(dǎo)軌副架在圓弧導(dǎo)軌上，旋轉(zhuǎn)臂由伺服電機(jī)驅(qū)動繞立柱頂端的止推軸在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臂上安裝有氣浮導(dǎo)軌、負(fù)載平臺和直線電機(jī)定子，負(fù)載平臺由直線電機(jī)驅(qū)動沿氣浮導(dǎo)軌滑動，所述光學(xué)測量系統(tǒng)由激光器I、激光器II、分光鏡I、分光鏡II、CCDI、CCDII、濾光鏡與鏡頭組I、濾光鏡與鏡頭組II、參考反射鏡和被測反光鏡組成。該測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作區(qū)域覆蓋面比較大，可完成動態(tài)實(shí)時測量。
【專利說明】極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水平鏡面傾角測量裝置及方法，具體涉及一種可W測量處于一定 區(qū)域內(nèi)水平鏡面的傾角或平行度的極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在某些具有特殊要求的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，使用多個反射鏡構(gòu)成陣列，各個反射鏡安 裝高度各不相同，本身角度可W根據(jù)需要改變，但要求反射鏡法線相互平行或與當(dāng)?shù)刂亓?垂線平行，如圖1所示。該就需要一種能夠快速測量各個位置反射鏡法線方向的測量系統(tǒng)。 另外，由于宇航技術(shù)的發(fā)展，需要在地面模擬太空低重力或零重力環(huán)境，W使那些只能在低 重力工作環(huán)境下工作的機(jī)械手、巡視器或空間站模型能夠在地面上也能工作和測試。為實(shí) 現(xiàn)此目的，一種常用方法是使用吊索對被測工件重力進(jìn)行補(bǔ)償。而如何保障吊索始終與重 力垂線平行或如何高精度地測量吊索對重力垂線的偏角，則是此類系統(tǒng)面臨的一個重要問 題。一種測量方法是在鋼索上垂直安裝反射鏡，如圖2所示，并能夠在被測工件在一定區(qū)域 內(nèi)運(yùn)動時，對鏡面法線方向偏斜進(jìn)行實(shí)時測量并進(jìn)行控制，使其始終垂直向上。該方法依靠 該水平鏡面反射的方式保證吊索與重力垂線平行。然而鏡面在動態(tài)過程放置是否始終處于 水平卻無法測量，該將會導(dǎo)致吊索與重力垂線產(chǎn)生無法消除的偏角，因此水平鏡面的測量 在實(shí)際應(yīng)用中有著重要的價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，有效提高測量精度，本發(fā)明提供了一種極坐標(biāo)式 無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)及測量鏡面傾角或平行度的方法。本發(fā)明主要應(yīng)用于鏡面陣 列平行度測量、鏡面法線與重力垂線的偏角測量和重力卸荷系統(tǒng)的吊索偏離重力垂線的方 位角測量，是鏡面陣列控制系統(tǒng)和吊索式重力卸荷系統(tǒng)的重要反饋方法和初始校準(zhǔn)方法， 在整個控制和裝調(diào)過程中發(fā)揮著重要的作用，由于其無干擾和實(shí)時測量的特性，對于保障 系統(tǒng)性能指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)，其框架結(jié)構(gòu)為極坐標(biāo)運(yùn)動形式，由立柱、 止推軸承、旋轉(zhuǎn)臂、調(diào)整裝置、負(fù)載平臺、光學(xué)測量系統(tǒng)、伺服電機(jī)、圓弧導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和直 線電機(jī)組成，其中：極坐標(biāo)原點(diǎn)處由立柱支撐，立柱頂端安裝有止推軸承，旋轉(zhuǎn)臂一端通過 止推軸承固定在立柱上，另一端通過導(dǎo)軌副架在圓弧導(dǎo)軌上，旋轉(zhuǎn)臂可由伺服電機(jī)驅(qū)動繞 立柱頂端的止推軸在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臂上安裝有氣浮導(dǎo)軌、負(fù)載平臺和直線電機(jī)定子， 負(fù)載平臺由直線電機(jī)驅(qū)動沿氣浮導(dǎo)軌滑動，所述光學(xué)測量系統(tǒng)由激光器I、激光器II、分光 鏡I、分光鏡II、CCDI、CCDII、濾光鏡與鏡頭組I、濾光鏡與鏡頭組II、參考反射鏡和被測反 光鏡組成，激光器I、激光器II、分光鏡I、分光鏡II、CCDI和CCDII安裝在負(fù)載平臺上，參 考反射鏡位于止推軸上方并與止推軸固聯(lián)，調(diào)整裝置位于參考反射鏡頂部；激光器I射出 的光束經(jīng)分光鏡I分為兩束，一束測量基準(zhǔn)光束經(jīng)過濾光鏡與鏡頭組I直接進(jìn)入CCDI，另一 束入射到被測鏡面上，經(jīng)被測鏡面反射后回到分光鏡I，再次被分光鏡I反射后經(jīng)濾光鏡與 鏡頭組I直接進(jìn)入CCDI ;激光器II射出的光束經(jīng)分光鏡II分為兩束，一束測量基準(zhǔn)光束 經(jīng)過濾光鏡與鏡頭組II直接進(jìn)入CCDII，另一束入射到參考反射鏡上。
[0005] 上述裝置中，所述參考反射鏡的軸與旋轉(zhuǎn)臂的軸同軸安裝且用彈性聯(lián)軸器固聯(lián)， W使調(diào)整可行；參考反射鏡軸下端采用調(diào)也軸承固定，上端為調(diào)整裝置，參考反射鏡可通過 調(diào)整裝置調(diào)整，使其旋轉(zhuǎn)過程中法線始終處于水平面內(nèi)；旋轉(zhuǎn)臂軸上端采用軸承固定，下端 采用止推軸承固定。
[0006] 利用上述裝置測量水平鏡面傾角的方法，包括W下步驟： 一、保證旋轉(zhuǎn)臂軸線與當(dāng)?shù)刂亓Υ咕€平行，具體操作如下： 1) 在任意位置調(diào)整光學(xué)測量系統(tǒng)中各光學(xué)模塊的調(diào)平螺栓，使其水平； 2) 直線電機(jī)處于位置伺服狀態(tài)，且保持位置不變，控制伺服電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂由最左端A 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至最右端B點(diǎn)；在A點(diǎn)、B點(diǎn)記錄參考光產(chǎn)生的CCDII讀數(shù)，在B點(diǎn)調(diào)整調(diào)整裝置，使 B點(diǎn)讀數(shù)達(dá)到調(diào)整前A點(diǎn)B點(diǎn)讀數(shù)的平均值； 3) 重復(fù)2)，直至A、B兩點(diǎn)讀數(shù)相同； 4) 使旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)到A、B的中點(diǎn)，調(diào)整調(diào)整裝置，直至該點(diǎn)讀數(shù)與A點(diǎn)相同； 5) 重復(fù)2)?4)，直至H點(diǎn)讀數(shù)相同。
[0007] 二、當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂軸線與當(dāng)?shù)刂亓Υ咕€平行后，開始測量水平鏡面的傾角，具體操作如 下： 1)分別讀取CCDI中的測量基準(zhǔn)光束與通過被測鏡面反射后進(jìn)入CCDI的反射測量光 束。
[0008] 2)若反射測量光束與測量基準(zhǔn)光束不重合，通過CCDI測量它與測量基準(zhǔn)光束成 像點(diǎn)的距離和方位，即可測出被測反光鏡偏角及偏斜方位。
[0009] 3)綜合CCDI與CCDII該兩個測量結(jié)果，可W得出被測反光鏡相對于水平面的傾斜 角和傾斜方位。
[0010] 鏡面平行度是指測量多個鏡面間的相對平行狀態(tài)，因此利用上述裝置測量鏡面平 行度時，需要選取一個基準(zhǔn)鏡面為平行度測量提供參考，將其他鏡面作為待測鏡面，通過對 比得到各鏡面相對于基準(zhǔn)鏡面的平行度，具體步驟如下： 1)基準(zhǔn)鏡面的調(diào)整：按上述鏡面的傾角測量方法進(jìn)行基準(zhǔn)鏡面的傾角測量并調(diào)整其至 要求角度。
[0011] 2)待測鏡面平行度測量；讀取待測鏡面CCDI中通過待測鏡面反射后進(jìn)入CCDI的 反射測量光束，記錄其傾斜角。
[0012] 3)將待測鏡面的傾角與基準(zhǔn)鏡面傾角進(jìn)行對比，可得到待測鏡面相對于基準(zhǔn)鏡面 的平行度。
[0013] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明提供的極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作區(qū)域覆蓋面比 較大，可完成動態(tài)實(shí)時測量。
[0014] 2、由于引入了參考光束對負(fù)載平臺自身傾斜角度進(jìn)行測量，可W將由于旋轉(zhuǎn)臂安 裝水平誤差項(xiàng)、旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)彈性變形項(xiàng)引起的測量誤差補(bǔ)償?shù)?，從而大大提高了測量精度。
[0015] 3、旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)和負(fù)載平臺沿導(dǎo)軌滑動過程中，可W保證參考光束始終指向極坐標(biāo) 原點(diǎn)；同時參考反光鏡與旋轉(zhuǎn)臂同步旋轉(zhuǎn)，在無需附加其它運(yùn)動補(bǔ)償和額外驅(qū)動的情況下， 就可W使參考光始終能夠從參考反光鏡返回，進(jìn)入分光鏡。
[0016] 4、由于使用彈性聯(lián)軸器，在保證同步旋轉(zhuǎn)的前提下，參考反光鏡法線不會由于負(fù) 載平臺運(yùn)動引起的旋轉(zhuǎn)臂彈性變形、端部曲翅而受影響。
[0017] 5、通過調(diào)整環(huán)節(jié)調(diào)整反射鏡法線與水平面的夾角，且由于彈性聯(lián)軸器和調(diào)也軸承 的存在，該種調(diào)節(jié)不會影響軸的正常旋轉(zhuǎn)。
[0018] 6、調(diào)也軸承的使用可W使微調(diào)軸向時不會給參考反光鏡軸施加額外應(yīng)力，不會導(dǎo) 致其變形影響性能。
[0019] 7、采用極坐標(biāo)方式工作，且參考鏡面與旋轉(zhuǎn)臂軸同軸安裝，使參考光束能夠始終 幾乎垂直照射參考鏡面而無需額外的運(yùn)動補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
[0020] 8、使用兩套光學(xué)測量裝置，同時實(shí)時測量平臺相對于參考鏡面偏角和被測鏡面相 對于平臺偏角，并進(jìn)行補(bǔ)償，從而使負(fù)載平臺自身的偏轉(zhuǎn)不影響對被測鏡面相對于水平面 傾角的測量結(jié)果。
[0021] 9、使用直線電機(jī)配氣浮導(dǎo)軌驅(qū)動負(fù)載平臺，減小振動影響； 10、 使用分光鏡觀測，W自身產(chǎn)生的光束之一為參考，抑制平動引起的干擾； 11、 采用濾光鏡濾除環(huán)境雜散光影響，僅對激光所在特定波長成像，提高了抗干擾能 力，降低力圖像處理算法的復(fù)雜性和計(jì)算負(fù)擔(dān)； 12、 對CCD圖像可W實(shí)時自動處理，從而完成自動測量； 13、 通過電機(jī)控制負(fù)載平臺位置，可W對工作區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時測量； 14、 本發(fā)明可W大幅提高測量精度和各個位置測量精度的一致性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為被測反光鏡陣列示意圖； 圖2為測量鋼索偏角示意圖； 圖3為本發(fā)明的極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為參考鏡安裝機(jī)構(gòu)示意圖； 圖5為調(diào)整裝置俯視圖； 圖6為光學(xué)系統(tǒng)工作原理示意圖； 圖中各附圖標(biāo)記的含義見表1。
[0023] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)，其特征在于所述測量系統(tǒng)為極坐標(biāo)運(yùn)動形 式的框架結(jié)構(gòu)，由立柱、止推軸承、旋轉(zhuǎn)臂、調(diào)整裝置、負(fù)載平臺、光學(xué)測量系統(tǒng)、伺服電機(jī)、 圓弧導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和直線電機(jī)組成，其中：極坐標(biāo)原點(diǎn)處由立柱支撐，立柱頂端安裝有止 推軸承，旋轉(zhuǎn)臂一端通過止推軸承固定在立柱上，另一端通過導(dǎo)軌副架在圓弧導(dǎo)軌上，旋轉(zhuǎn) 臂由伺服電機(jī)驅(qū)動繞立柱頂端的止推軸在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臂上安裝有氣浮導(dǎo)軌、負(fù)載 平臺和直線電機(jī)定子，負(fù)載平臺由直線電機(jī)驅(qū)動沿氣浮導(dǎo)軌滑動，所述光學(xué)測量系統(tǒng)由激 光器I、激光器II、分光鏡I、分光鏡II、（XDI、（XDII、濾光鏡與鏡頭組I、濾光鏡與鏡頭組 II、參考反射鏡和被測反光鏡組成，激光器I、激光器II、分光鏡I、分光鏡II、(XDI和(XDII 安裝在負(fù)載平臺上，參考反射鏡位于止推軸上方并與止推軸固聯(lián)，調(diào)整裝置位于參考反射 鏡頂部；激光器I射出的光束經(jīng)分光鏡I分為兩束，一束測量基準(zhǔn)光束經(jīng)過濾光鏡與鏡頭組 I直接進(jìn)入CCDI，另一束入射到被測鏡面上，經(jīng)被測鏡面反射后回到分光鏡I，再次被分光 鏡I反射后經(jīng)濾光鏡與鏡頭組I直接進(jìn)入CCDI ;激光器II射出的光束經(jīng)分光鏡II分為兩 束，一束測量基準(zhǔn)光束經(jīng)過濾光鏡與鏡頭組II直接進(jìn)入CCDII，另一束入射到參考反射鏡 上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)，其特征在于所述參 考反射鏡的軸與旋轉(zhuǎn)臂的軸同軸安裝且用彈性聯(lián)軸器固聯(lián)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)，其特征在于所述參 考反射鏡軸下端采用調(diào)心軸承固定，上端為調(diào)整裝置，旋轉(zhuǎn)臂軸上端采用軸承固定，下端采 用止推軸承固定。
4. 一種利用權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系 統(tǒng)測量水平鏡面傾角的方法，其特征在于所述方法步驟如下： 一、 調(diào)整旋轉(zhuǎn)臂軸線與當(dāng)?shù)刂亓Υ咕€平行； 二、 分別讀取CCDI中的測量基準(zhǔn)光束與通過被測鏡面反射后進(jìn)入CCDI的反射測量光 束； 三、 若反射測量光束與測量基準(zhǔn)光束不重合，通過CCDI測量它與測量基準(zhǔn)光束成像點(diǎn) 的距離和方位，即可測出被測反光鏡偏角及偏斜方位； 四、 綜合CCDI與CCDII測量結(jié)果，得出被測反光鏡相對于水平面的傾斜角和傾斜方位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)測量水平鏡面 傾角的方法，其特征在于所述調(diào)整旋轉(zhuǎn)臂軸線與當(dāng)?shù)刂亓Υ咕€平行的方法如下： 1) 在任意位置調(diào)整光學(xué)測量系統(tǒng)中各光學(xué)模塊的調(diào)平螺栓，使其水平； 2) 直線電機(jī)處于位置伺服狀態(tài)，且保持位置不變，控制伺服電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂由最左端A 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至最右端B點(diǎn)；在A點(diǎn)、B點(diǎn)記錄參考光產(chǎn)生的(XDII讀數(shù)，在B點(diǎn)調(diào)整調(diào)整裝置，使 B點(diǎn)讀數(shù)達(dá)到調(diào)整前A點(diǎn)B點(diǎn)讀數(shù)的平均值； 3) 重復(fù)2)，直至A、B兩點(diǎn)讀數(shù)相同； 4) 使旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)到A、B的中點(diǎn)，調(diào)整調(diào)整裝置，直至該點(diǎn)讀數(shù)與A點(diǎn)相同； 5) 重復(fù)2) ~4)，直至三點(diǎn)讀數(shù)相同。
6. -種利用權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系 統(tǒng)測量鏡面平行度的方法，其特征在于所述方法步驟如下： 一、調(diào)整旋轉(zhuǎn)臂軸線與當(dāng)?shù)刂亓Υ咕€平行； 二、 分別讀取CCDI中的測量基準(zhǔn)光束與通過被測鏡面反射后進(jìn)入CCDI的反射測量光 束； 三、 若反射測量光束與測量基準(zhǔn)光束不重合，通過CCDI測量它與測量基準(zhǔn)光束成像點(diǎn) 的距離和方位，即可測出被測反光鏡偏角及偏斜方位； 四、 綜合CCDI與CCDII測量結(jié)果，得出被測反光鏡相對于水平面的傾斜角和傾斜方 位； 五、 根據(jù)步驟四的測量結(jié)果調(diào)整基準(zhǔn)鏡面傾角至要求角度； 六、 讀取待測鏡面CCDI中通過待測鏡面反射后進(jìn)入CCDI的反射測量光束，記錄其傾斜 角； 七、 將待測鏡面的傾角與基準(zhǔn)鏡面傾角進(jìn)行對比，得到待測鏡面相對于基準(zhǔn)鏡面的平 行度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用極坐標(biāo)式無接觸水平鏡面傾角測量系統(tǒng)測量鏡面平行 度的方法，其特征在于所述調(diào)整旋轉(zhuǎn)臂軸線與當(dāng)?shù)刂亓Υ咕€平行的方法如下： 1) 在任意位置調(diào)整光學(xué)測量系統(tǒng)中各光學(xué)模塊的調(diào)平螺栓，使其水平； 2) 直線電機(jī)處于位置伺服狀態(tài)，且保持位置不變，控制伺服電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂由最左端A 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至最右端B點(diǎn)；在A點(diǎn)、B點(diǎn)記錄參考光產(chǎn)生的(XDII讀數(shù)，在B點(diǎn)調(diào)整調(diào)整裝置，使 B點(diǎn)讀數(shù)達(dá)到調(diào)整前A點(diǎn)B點(diǎn)讀數(shù)的平均值； 3) 重復(fù)2)，直至A、B兩點(diǎn)讀數(shù)相同； 4) 使旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)到A、B的中點(diǎn)，調(diào)整調(diào)整裝置，直至該點(diǎn)讀數(shù)與A點(diǎn)相同； 5) 重復(fù)2) ~4)，直至三點(diǎn)讀數(shù)相同。
【文檔編號】G01C9/00GK104501776SQ201410787142
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】盧鴻謙, 劉國平, 尹航, 班曉軍, 陳力恒, 黃顯林 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)