王 浩 楊 峰 譚 宇 上官永平 王艷維

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065)

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光學(xué)平臺(tái)上的升降臺(tái)臺(tái)面偏擺量的檢測(cè)方法

王 浩 楊 峰 譚 宇 上官永平 王艷維

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065)

本文論述了利用自準(zhǔn)直儀、平面反射鏡、百分表和直角鐵建成一套測(cè)量裝置對(duì)在光學(xué)平臺(tái)上使用的升降臺(tái)臺(tái)面偏擺量(俯仰角度變化和水平位移偏離)進(jìn)行檢測(cè)取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。該方法原理正確，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易，在同行中有較好的推廣應(yīng)用前景。

光學(xué)平臺(tái)；升降臺(tái)；俯仰角度變化量；水平位移偏離量

0 引言

光學(xué)平臺(tái)上架設(shè)的升降平臺(tái)在升降過(guò)程中，要能滿足各種實(shí)驗(yàn)要求，就必須保證升降平臺(tái)在升降過(guò)程中，其臺(tái)面始終保持直上直下，不產(chǎn)生較大的俯仰角度變化或者水平位置的偏離。

實(shí)際上不論哪一種升降平臺(tái)在升降過(guò)程中，都會(huì)呈現(xiàn)不同程度的搖擺晃動(dòng)，這個(gè)偏擺過(guò)程會(huì)導(dǎo)致兩種不合格情況發(fā)生：第一種是升降平臺(tái)臺(tái)面與光學(xué)平臺(tái)臺(tái)面有一個(gè)夾角，這個(gè)角度時(shí)大時(shí)小，可以判定升降平臺(tái)不合格；第二種是升降平臺(tái)臺(tái)面始終保持和光學(xué)平臺(tái)平行，但出現(xiàn)平行位移，所以升降平臺(tái)仍然不合格。

偏擺量增大了升降平臺(tái)底部的載荷，使其不穩(wěn)定，因此必須知道偏擺量的大小，進(jìn)而得知因?yàn)槠珨[量而引起的誤差，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。所以對(duì)升降平臺(tái)偏擺量進(jìn)行討論具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以載剪切式升降平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱升降臺(tái))為例，介紹一種簡(jiǎn)便可靠的升降臺(tái)臺(tái)面俯仰角度變化量和水平位移偏離量的檢測(cè)方法。

1 升降臺(tái)臺(tái)面俯仰角度變化量

升降臺(tái)臺(tái)面俯仰角度變化量：升降臺(tái)臺(tái)面在升降過(guò)程中，臺(tái)面角度時(shí)大時(shí)小，在升降到某一高度時(shí)，其臺(tái)面相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)臺(tái)面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和傾斜的角度大小。

如圖1所示，采用一個(gè)支架，一臺(tái)精度為±2″的自準(zhǔn)直儀和一個(gè)平面度為二分之一個(gè)光波波長(zhǎng)的平面反射鏡，組成一套測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)升降臺(tái)臺(tái)面俯仰角度變化量的檢測(cè)。

圖1 升降臺(tái)臺(tái)面俯仰角度變化量的檢測(cè)

首先在支架上架設(shè)好自準(zhǔn)直儀(也可以選取在任意一個(gè)升降臺(tái)上架設(shè)，把這個(gè)升降臺(tái)當(dāng)作支架)，再在另一個(gè)升降臺(tái)T上架設(shè)好平面反射鏡，把升降臺(tái)T降到最低，調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀與平面反射鏡垂直，這時(shí)自準(zhǔn)直儀自身分化板的十字像和反射回來(lái)的十字像重合。升起升降臺(tái)，在升降的過(guò)程中，如果十字分化像出現(xiàn)雙影就說(shuō)明升降臺(tái)在升降過(guò)程中有角度擺動(dòng)，直接從十字雙影中就可以讀出上下角度變化量和左右角度變化量。然后再把升降臺(tái)T旋轉(zhuǎn)90°，重新固定平面反射鏡并調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直儀與平面反射鏡垂直，用同樣的辦法可以檢測(cè)出升降臺(tái)臺(tái)面另一個(gè)方向的俯仰角度變化量。

2 升降臺(tái)臺(tái)面水平位移偏離量的檢測(cè)方法

升降臺(tái)臺(tái)面水平位移偏離量：升降臺(tái)并非垂直升降，而是在升降過(guò)程中，其臺(tái)面升降到某一高度時(shí)，向前﹑后方向，或左﹑右方向上，相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)臺(tái)面平行移動(dòng)的最大距離。

如圖2所示，這套檢定裝置任意選用一個(gè)升降臺(tái)作為支架，采用0.01mm精度的百分表和0級(jí)精度的直角鐵一個(gè)，來(lái)檢測(cè)升降臺(tái)臺(tái)面位移偏離量。

圖2 升降臺(tái)臺(tái)面水平位移偏離量的檢測(cè)

任意選取升降臺(tái)1和升降臺(tái)2，用2測(cè)1的位移量。先將百分表架設(shè)在升降臺(tái)2上，在升降臺(tái)1上架設(shè)好直角鐵，把2個(gè)升降臺(tái)都降落到最低，將百分表表頭接觸直角鐵，調(diào)好百分表接觸量，旋轉(zhuǎn)表盤，表針指到零位，然后同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)升降臺(tái)手柄，使其從最低點(diǎn)上升到最高點(diǎn)，此過(guò)程中百分表的最大伸長(zhǎng)量為m；卸下直角鐵旋轉(zhuǎn)180°，將其固定到升降臺(tái)1的對(duì)面一端，升降臺(tái)1旋轉(zhuǎn)180°，重新調(diào)好表后，再同時(shí)從最低點(diǎn)上升到最高點(diǎn)，而這個(gè)過(guò)程中百分表的最大伸長(zhǎng)量為n，則升降臺(tái)1在升降過(guò)程中，臺(tái)面最大水平移動(dòng)量為：S1=(m-n)/2。比如：開(kāi)始檢驗(yàn)時(shí)百分表伸長(zhǎng)量m=20μm，旋轉(zhuǎn)180°后，百分表伸長(zhǎng)量n=-30μm，則升降臺(tái)1在升降過(guò)程中臺(tái)面最大水平移動(dòng)量：S1=[20-(-30)]/2=25μm。

以上是檢測(cè)升降臺(tái)在前后方向的平移量，左右方向的平移量檢測(cè)方法相同。

3 俯仰角度變化量和水平位移偏離量的誤差分析

不同的光路對(duì)升降平臺(tái)偏擺量的精度要求是不一樣的：有高、有低、有的甚至沒(méi)有精度要求。針對(duì)不同的偏擺量精度要求，要選擇不同精度的自準(zhǔn)直儀和量表。采用不同精度的測(cè)量裝置會(huì)直接影響到升降臺(tái)臺(tái)面俯仰角度變化量和水平位移偏離量的測(cè)量不確定度。

一般來(lái)說(shuō)，升降臺(tái)俯仰角度最大變化量為±4″，水平位移最大偏離量為±0.02mm，就能滿足絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)此精度應(yīng)選擇精度為±2″的自準(zhǔn)直儀和精度為0.01mm的百分表。

自準(zhǔn)直儀的視場(chǎng)大小就是升降臺(tái)臺(tái)面俯仰角度變化量的測(cè)量范圍，視場(chǎng)越大測(cè)量范圍越大，通常與之相應(yīng)的精度也會(huì)有不同程度的降低。

測(cè)量用表(百分表或千分表)的量程大小就是升降臺(tái)臺(tái)面水平位移偏離量的測(cè)量范圍，百分表的量程通常足夠，但千分表的量程只有1mm或2mm兩種。

對(duì)于個(gè)別精度更高要求的升降臺(tái)，就要使用更高精度自準(zhǔn)直儀和更高的，精度為0.001mm的量表(千分表)。

自準(zhǔn)直儀的精度就是俯仰角度變化量的檢驗(yàn)精度，而測(cè)量用表精度的2倍就是水平位移偏離量的檢驗(yàn)精度。

平面反射鏡應(yīng)當(dāng)選擇高精度的光學(xué)平面反射鏡，其平面度一般只有幾分之一個(gè)光波的波長(zhǎng)，這樣高的精度能夠使得從反射鏡中反射回來(lái)的光線再次在分劃板上形成清晰的十字像便于觀察，反射鏡的平面度只會(huì)影響到反射回來(lái)的十字像是否清晰，而不會(huì)因此造成十字像位置的變化而影響精度。

由于升降臺(tái)在升降過(guò)程中配合間隙在變化，所以只檢測(cè)一次就得出結(jié)果是不完善的，應(yīng)至少重復(fù)往返檢測(cè)三次以上取平均值作為最終結(jié)果。

4 安裝要求和注意事項(xiàng)

自準(zhǔn)直儀和反射鏡安裝一定要牢固，不能因受力而晃動(dòng)，但位置度要求不高。量表安裝也要牢固，不能松動(dòng)，否則測(cè)出的是假值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般將百分表接觸量調(diào)為0.20mm即可。自準(zhǔn)直儀或反射鏡上下、前后、左右的微小水平偏離，絲毫不會(huì)影響到反射回來(lái)的十字像位置。俯仰角度的微小偏離量會(huì)有明顯的影響，但總共要讀取最大值和最小值各一次，求二次讀數(shù)之差。由于對(duì)二次影響量的大小正負(fù)均相同，對(duì)于二次讀數(shù)之差沒(méi)有任何影響。所以安裝允許有一定的偏差。

5 結(jié)論

這種檢測(cè)方法，任意選取一個(gè)升降臺(tái)，能夠測(cè)出其它多個(gè)升降臺(tái)的精度，實(shí)現(xiàn)互相測(cè)量，效率高、準(zhǔn)確度高，簡(jiǎn)便而實(shí)用，能滿足對(duì)各種實(shí)驗(yàn)的要求。

對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室里光學(xué)平臺(tái)上架設(shè)的各類升降平臺(tái)臺(tái)面的偏擺量，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有更好的檢測(cè)方法。在此也希望能起到拋磚引玉的作用。

由于載剪切式升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，升降平臺(tái)的偏擺是不可消除的。但是我們通過(guò)以上檢測(cè)方法，測(cè)得偏擺量的大小，在實(shí)驗(yàn)時(shí)能很好地消除升降平臺(tái)的誤差，實(shí)踐證明是有效的。

[1] 李樹(shù)波．自準(zhǔn)直儀在角度測(cè)量中的應(yīng)用分析．飛行器慣性器件學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2001

[2] 李樹(shù)波．自準(zhǔn)直儀在垂直度測(cè)量中的應(yīng)用．計(jì)量技術(shù)，2001(2)

[3] 喻萍．用自準(zhǔn)直儀檢測(cè)角度塊工作角．計(jì)量技術(shù)，2002(7)

[4] 周曉堯，范大鵬，張智永．升降式光電探測(cè)平臺(tái)定位原理與誤差分析．宇航學(xué)報(bào)，2011(6)

[5] 石曉宇，王曉峰．剪叉式升降臺(tái)偏擺量的測(cè)定和質(zhì)量指標(biāo)．起重運(yùn)輸機(jī)械，2009(9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.12