武文彬，任冬梅，李華豐

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

對(duì)于端度、間隙、步距規(guī)及環(huán)規(guī)類內(nèi)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(xué)瞄準(zhǔn)[2]的方法。而瞄準(zhǔn)裝置的工作距離決定和限制了被測(cè)件尺寸的大小。

一般的端度類產(chǎn)品面寬度范圍及孔徑類測(cè)量產(chǎn)品的內(nèi)尺寸測(cè)量范圍在100 mm以下，不能對(duì)較大尺寸的孔徑類及端度類產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，因此本文通過設(shè)計(jì)一種大量程瞄準(zhǔn)裝置，采用光路仿真計(jì)算的方法增大其測(cè)量量程，使其尺寸測(cè)量范圍達(dá)到3～300 mm。

1 端度孔徑測(cè)量儀組成

端度及孔徑測(cè)量儀主要由激光干涉測(cè)長系統(tǒng)[3]、光電顯微瞄準(zhǔn)裝置、直線導(dǎo)軌、調(diào)整工作臺(tái)、環(huán)境溫度測(cè)量控制、軟件算法等部分組成，端度孔徑測(cè)量儀整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。限制端度孔徑測(cè)量儀量程測(cè)量范圍的主要原因是光電顯微瞄準(zhǔn)裝置的工作距離，采用增大光電顯微瞄準(zhǔn)裝置工作距離的設(shè)計(jì)方法，并且需對(duì)與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)相配的可調(diào)工作臺(tái)等機(jī)械部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。被測(cè)件置于可調(diào)工作臺(tái)上，工作臺(tái)帶動(dòng)待測(cè)件進(jìn)行移動(dòng)，將待測(cè)件移動(dòng)至光電顯微瞄準(zhǔn)裝置視場(chǎng)范圍內(nèi)，通過調(diào)整工作臺(tái)及其微調(diào)機(jī)構(gòu)使得待測(cè)件的被測(cè)面被精確瞄準(zhǔn)。

圖1 端度孔徑測(cè)量儀示意圖

2 端度孔徑測(cè)量瞄準(zhǔn)裝置光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 瞄準(zhǔn)裝置光路設(shè)計(jì)

大焦距光電顯微瞄準(zhǔn)裝置光學(xué)系統(tǒng)光路如圖2所示，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǔn)裝置光路圖

系統(tǒng)由鹵素?zé)粽彰?，光源發(fā)出的光線由光纖傳輸，經(jīng)聚光鏡組照射在目標(biāo)分劃板上，分劃板上的圖形（刻線）經(jīng)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(cè)件的測(cè)量面），形成一個(gè)縮小的實(shí)像像點(diǎn)。此像點(diǎn)經(jīng)過工件被測(cè)面的反射，測(cè)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(xiàn)在目鏡上的圖像用來安裝被測(cè)件，呈現(xiàn)在狹縫上的圖像用來進(jìn)行電子瞄準(zhǔn)。當(dāng)移動(dòng)被測(cè)面，成像在狹縫上的反射像總有一個(gè)位置使得在狹縫中兩邊的通光面積相等，此位置即為瞄準(zhǔn)位置。為提高瞄準(zhǔn)精度，系統(tǒng)在狹縫后方采用光電倍增管將接收到的光通量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并進(jìn)行瞄準(zhǔn)信號(hào)的處理。

根據(jù)大焦距光電顯微瞄準(zhǔn)原理，在瞄準(zhǔn)直線端面時(shí)，是以影像位于振動(dòng)狹縫中心位置為瞄準(zhǔn)點(diǎn)；在瞄準(zhǔn)內(nèi)孔時(shí)，由于內(nèi)孔的瞄準(zhǔn)面不是直線而是圓弧表面，在其反射時(shí)就會(huì)使目標(biāo)像發(fā)生變形，形成圓弧瞄準(zhǔn)像。因光電倍增管仍是對(duì)振動(dòng)狹縫兩邊的光強(qiáng)度變化進(jìn)行瞄準(zhǔn)，故而會(huì)產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差。當(dāng)光電倍增管接收到目標(biāo)像兩邊的光強(qiáng)相等，也就是狹縫被目標(biāo)像均分成兩塊相等的面積就認(rèn)為目標(biāo)被瞄準(zhǔn)。

綜上，設(shè)計(jì)采用李斯特型物鏡作為瞄準(zhǔn)顯微光路的顯微物鏡，數(shù)值孔徑NA設(shè)計(jì)在0.3以下[4]，后焦距的大小決定了光電顯微瞄準(zhǔn)裝置的工作范圍，增大焦距可實(shí)現(xiàn)大量程的瞄準(zhǔn)。

圖3 大焦距顯微物鏡組光路圖

2.2 瞄準(zhǔn)裝置光路設(shè)計(jì)質(zhì)量仿真分析

光學(xué)像差關(guān)乎光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，沒有良好的成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)很難達(dá)到高精度的測(cè)量要求。因此控制光學(xué)像差十分重要。光學(xué)系統(tǒng)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(chǎng)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(xué)像差種類是很多的，光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)也不可能全部消除，因此根據(jù)系統(tǒng)的需要，對(duì)影響較大的像差加以控制，對(duì)其它像差可適當(dāng)放寬。幾何像差對(duì)CCD光電準(zhǔn)直系統(tǒng)測(cè)量有直接影響，但在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)控制球差和正弦差也很重要，因?yàn)檫@兩項(xiàng)除了直接影響成像質(zhì)量外，慧差和畸變也都與它們的存在有關(guān)，因此對(duì)光電顯微瞄準(zhǔn)裝置光路進(jìn)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(chǎng)曲和畸變

圖6 光學(xué)RMS點(diǎn)列圖

圖7 MTF圖

圖8 光學(xué)系統(tǒng)能量圖

由圖4、圖5中可見球差及畸變優(yōu)化得很小，不存在離焦現(xiàn)象，由圖6和圖7可見彌散斑大小接近艾里斑直徑，系統(tǒng)的分辨率高，成像質(zhì)量好，由圖8可知能量分布滿足設(shè)計(jì)要求。通過大焦距光電顯微瞄準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)，增大瞄準(zhǔn)裝置的工作距離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大端面和大孔徑環(huán)規(guī)類被測(cè)件的瞄準(zhǔn)，在光學(xué)設(shè)計(jì)上擴(kuò)大了測(cè)量量程。

3 端度孔徑測(cè)量瞄準(zhǔn)裝置配套機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 光電顯微瞄準(zhǔn)裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電顯微瞄準(zhǔn)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖9所示，根據(jù)光路設(shè)計(jì)和光電工作原理，配合設(shè)計(jì)光電顯微瞄準(zhǔn)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。光源產(chǎn)生的光束，通過光纖連接在光纖管座上，為顯微瞄準(zhǔn)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(jìn)行調(diào)節(jié)。由反射鏡反射的光束通過投影物鏡管，在被測(cè)面相交，通過被測(cè)點(diǎn)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(tǒng)（顯微物鏡鏡組）成像在狹縫面上。測(cè)量時(shí)，刻線所成的像勻速掃過狹縫，信號(hào)由光電倍增管接收。光電顯微瞄準(zhǔn)裝置機(jī)械部件力學(xué)有限元仿真設(shè)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖9 光電顯微瞄準(zhǔn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖10 光電顯微瞄準(zhǔn)裝置有限元仿真分析圖

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

圖11 光電顯微瞄準(zhǔn)裝置光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 光電顯微瞄準(zhǔn)裝置連接配件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電顯微瞄準(zhǔn)裝置的連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖12所示，光電顯微瞄準(zhǔn)裝置主體經(jīng)過位移導(dǎo)軌與立柱相連，由于量程增大導(dǎo)致光路焦距變長，所以整體光路的機(jī)械配件也變長，整體探出部分增加，而探出的瞄準(zhǔn)裝置主體類似懸臂結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的變形量會(huì)隨其長度增加而變大，容易造成光學(xué)鏡組發(fā)生偏心和移動(dòng)，導(dǎo)致光軸發(fā)生偏移，影響瞄準(zhǔn)精確度。為避免這種情況，在設(shè)計(jì)時(shí)需選擇輕質(zhì)材料來降低整體質(zhì)量，提高抗變形強(qiáng)度。同時(shí)連接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為可以隨位移導(dǎo)軌準(zhǔn)確調(diào)整上下位置，這樣在瞄準(zhǔn)過程中，可以實(shí)現(xiàn)沿光軸方向的定位。

圖12 光電顯微瞄準(zhǔn)裝置連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)端度孔徑測(cè)量裝置的光路設(shè)計(jì)，上下鏡筒同軸度會(huì)影響裝配物鏡的偏心，偏心應(yīng)在微米量級(jí)并盡量縮小。為減小物鏡鏡筒同軸度誤差，應(yīng)當(dāng)對(duì)鏡筒的圓度加以要求，安裝時(shí)避免偏心，鏡筒變形量盡量保持在微米量級(jí)以下。

滑架設(shè)計(jì)有與燕尾導(dǎo)軌配合的燕尾槽，光電顯微瞄準(zhǔn)裝置安裝孔，將滑架作為可移動(dòng)導(dǎo)軌使用，如圖13所示。調(diào)節(jié)手輪與齒輪軸連接，齒輪軸設(shè)計(jì)為一體式與滑架安裝孔配合設(shè)計(jì)，并通過立柱上的齒條實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)其與燕尾槽配合的間隙進(jìn)行調(diào)整，采用鑲條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為配合大量程光電顯微瞄準(zhǔn)裝置的瞄準(zhǔn)，應(yīng)使滑架在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)較大距離運(yùn)動(dòng)，通過鎖緊手柄實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的鎖緊固定。

圖13 滑架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖14 微調(diào)整工作臺(tái)設(shè)計(jì)圖

3.3 光電顯微瞄準(zhǔn)裝置調(diào)整配件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

端度孔徑測(cè)量瞄準(zhǔn)裝置對(duì)被測(cè)面瞄準(zhǔn)時(shí)，被測(cè)面應(yīng)平行于光電顯微瞄準(zhǔn)裝置的主光軸，并且被測(cè)件反射像與視場(chǎng)內(nèi)的刻線調(diào)平行。在瞄準(zhǔn)過程中，采用一種機(jī)械工作臺(tái)配件的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)被測(cè)件移動(dòng)的操作。對(duì)微調(diào)整工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整工作臺(tái)安裝在氣浮滑臺(tái)上，其整體結(jié)構(gòu)如圖14所示。工作臺(tái)可為被測(cè)面提供細(xì)微調(diào)整，并且在平面內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，配合實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)表面的瞄準(zhǔn)。

其余機(jī)械結(jié)構(gòu)既不是實(shí)現(xiàn)大量程也不是實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度瞄準(zhǔn)的關(guān)鍵部件，本文不在此贅述。

4 結(jié)語

本文提出一種大量程端度孔徑測(cè)量瞄準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)光電顯微瞄準(zhǔn)裝置光路的設(shè)計(jì)從根本上實(shí)現(xiàn)大量程瞄準(zhǔn)，并且在機(jī)械上配合大量程瞄準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。分析了端度孔徑測(cè)量裝置主要的組成構(gòu)件，并對(duì)其主要組成構(gòu)件光電顯微瞄準(zhǔn)裝置光路、機(jī)械、連接配件、調(diào)整部件分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其可以對(duì)端度和孔徑類達(dá)到3～300 mm尺寸范圍的被測(cè)件進(jìn)行瞄準(zhǔn)。