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(cè)試平臺(tái)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(dòng)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(jià)格卻不便宜，算下來大概要十多萬。

對(duì)我這種不怎么花錢的人來說，這夠我花個(gè)兩三年了。

這，我是不是應(yīng)該去賣儀器？

開個(gè)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(cè)量角度的儀器，原理是什么呢？

看圖說話。

自動(dòng)準(zhǔn)直儀的原理

在準(zhǔn)直儀內(nèi)部，光源Illumination（一般為L(zhǎng)ED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(gè)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(gè)角度α，那么刻線將按藍(lán)色路徑反射回去，最終不會(huì)落在像平面的原點(diǎn)，而會(huì)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(gè)放大圖就清楚了。

根據(jù)幾何關(guān)系可知Tan2α=d/f，對(duì)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(dòng)量，來測(cè)量鏡子的偏轉(zhuǎn)角度。

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

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

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

原理就這樣。

說說我最近的使用案例吧。

我是用自動(dòng)準(zhǔn)直儀，來校準(zhǔn)幾個(gè)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(cè)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(dòng)準(zhǔn)直儀底座，固定在同一個(gè)部件上，分光鏡單元不動(dòng)，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(gè)分光鏡和一個(gè)反射鏡。

左邊是一個(gè)分光鏡，右邊是一個(gè)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(jiǎn)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(cè)定的目標(biāo)1上。

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

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

細(xì)心的你，也許會(huì)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(gè)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(duì)于目標(biāo)1，是可以使用激光位移傳感器來測(cè)量校準(zhǔn)的。

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

第二，因?yàn)椴ＡЭ梢苑垂�，同時(shí)它體積大，可以測(cè)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(cè)量。

但是，對(duì)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(dòng)軸，校準(zhǔn)的目標(biāo)是找到運(yùn)動(dòng)軸在哪個(gè)位置時(shí)，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(gè)校準(zhǔn)中的一部分。

其實(shí)全部的校準(zhǔn)，還包括中心對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(tái)，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(tái)1是手動(dòng)調(diào)整，平臺(tái)2和3是運(yùn)動(dòng)軸自動(dòng)調(diào)整。

說說手動(dòng)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(tái)1調(diào)整結(jié)構(gòu)

平臺(tái)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(dòng)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)奈恢煤螅瑪Q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(shí)候也會(huì)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(jiǎn)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(gè)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(tái)留言，問我導(dǎo)軌的平行度怎么測(cè)量。

當(dāng)時(shí)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(gè)伙伴后來有沒有去了解。

因?yàn)檫@次我寫這個(gè)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(cè)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(shí)使用。

如何用準(zhǔn)直儀測(cè)量直線度？

把準(zhǔn)直儀固定，反光鏡放置在需要檢測(cè)的表面上，沿著測(cè)量方向上，每次移動(dòng)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(cè)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(cè)量導(dǎo)軌的平行度？

測(cè)量方法：準(zhǔn)直儀安裝在三角架或者穩(wěn)定平臺(tái)上，用90度轉(zhuǎn)光鏡把準(zhǔn)直儀光線轉(zhuǎn)到滑塊運(yùn)動(dòng)方向，目的是轉(zhuǎn)變準(zhǔn)直儀刻線投射方向，并使得測(cè)量第二個(gè)導(dǎo)軌時(shí)，準(zhǔn)直儀不用動(dòng)，也就是作為測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(dòng)滑塊來測(cè)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(dòng)，再測(cè)量導(dǎo)軌2的直線度，測(cè)量完成后，可以計(jì)算兩個(gè)導(dǎo)軌的平行度。

如何用準(zhǔn)直儀測(cè)量平面度？

沿多個(gè)方向測(cè)量出直線度，再計(jì)算出平面度。測(cè)量的方向構(gòu)成一個(gè)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(cè)量。

如何用準(zhǔn)直儀測(cè)量/校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的精度？

多邊形基準(zhǔn)鏡，用于測(cè)量或者校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)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(huì)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(cè)量旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的精度？

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

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

還有一種測(cè)量方法，是轉(zhuǎn)動(dòng)到某一個(gè)面后，使得準(zhǔn)直儀中的讀數(shù)是零，這時(shí)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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1.《機(jī)器人末端的快換裝置，有哪些設(shè)計(jì)要點(diǎn)？》

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2.《同步帶有哪些張緊方法？如何計(jì)算張緊力？如何測(cè)量張緊力？》

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3.《滾珠絲杠和梯形絲杠有什么區(qū)別？各應(yīng)用于什么場(chǎng)合？如何選用？》

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4.《分辨率，定位精度，重復(fù)定位精度三者之間有什么關(guān)系？》

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