极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及测量方法技术方案

一种极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及测量方法，所述测量系统由立柱、止推轴承、旋转臂、调整装置、负载平台、光学测量系统、伺服电机、圆弧导轨、气浮导轨和直线电机组成，立柱顶端安装有止推轴承，旋转臂一端通过止推轴承固定在立柱上，另一端通过导轨副架在圆弧导轨上，旋转臂由伺服电机驱动绕立柱顶端的止推轴在水平面内旋转，旋转臂上安装有气浮导轨、负载平台和直线电机定子，负载平台由直线电机驱动沿气浮导轨滑动，所述光学测量系统由激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI、CCDII、滤光镜与镜头组I、滤光镜与镜头组II、参考反射镜和被测反光镜组成。该测量系统结构紧凑，工作区域覆盖面比较大，可完成动态实时测量。

【技术实现步骤摘要】
极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及测量方法
本专利技术涉及一种水平镜面倾角测量装置及方法，具体涉及一种可以测量处于一定区域内水平镜面的倾角或平行度的极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及方法。
技术介绍
在某些具有特殊要求的光学实验室中，使用多个反射镜构成阵列，各个反射镜安装高度各不相同，本身角度可以根据需要改变，但要求反射镜法线相互平行或与当地重力垂线平行，如图1所示。这就需要一种能够快速测量各个位置反射镜法线方向的测量系统。另外，由于宇航技术的发展，需要在地面模拟太空低重力或零重力环境，以使那些只能在低重力工作环境下工作的机械手、巡视器或空间站模型能够在地面上也能工作和测试。为实现此目的，一种常用方法是使用吊索对被测工件重力进行补偿。而如何保障吊索始终与重力垂线平行或如何高精度地测量吊索对重力垂线的偏角，则是此类系统面临的一个重要问题。一种测量方法是在钢索上垂直安装反射镜，如图2所示，并能够在被测工件在一定区域内运动时，对镜面法线方向偏斜进行实时测量并进行控制，使其始终垂直向上。该方法依靠这水平镜面反射的方式保证吊索与重力垂线平行。然而镜面在动态过程放置是否始终处于水平却无法测量，这将会导致吊索与重力垂线产生无法消除的偏角，因此水平镜面的测量在实际应用中有着重要的价值。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，有效提高测量精度，本专利技术提供了一种极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及测量镜面倾角或平行度的方法。本专利技术主要应用于镜面阵列平行度测量、镜面法线与重力垂线的偏角测量和重力卸荷系统的吊索偏离重力垂线的方位角测量，是镜面阵列控制系统和吊索式重力卸荷系统的重要反馈方法和初始校准方法，在整个控制和装调过程中发挥着重要的作用，由于其无干扰和实时测量的特性，对于保障系统性能指标起着至关重要的作用。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统，其框架结构为极坐标运动形式，由立柱、止推轴承、旋转臂、调整装置、负载平台、光学测量系统、伺服电机、圆弧导轨、气浮导轨和直线电机组成，其中：极坐标原点处由立柱支撑，立柱顶端安装有止推轴承，旋转臂一端通过止推轴承固定在立柱上，另一端通过导轨副架在圆弧导轨上，旋转臂可由伺服电机驱动绕立柱顶端的止推轴承在水平面内旋转，旋转臂上安装有气浮导轨、负载平台和直线电机定子，负载平台由直线电机驱动沿气浮导轨滑动，所述光学测量系统由激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI、CCDII、滤光镜与镜头组I、滤光镜与镜头组II、参考反射镜和被测反光镜组成，激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI和CCDII安装在负载平台上，参考反射镜位于止推轴承上方，参考反射镜的轴与旋转臂的轴同轴安装，且用弹性联轴器固联，调整装置位于参考反射镜顶部；激光器I射出的光束经分光镜I分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组I直接进入CCDI，另一束入射到被测镜面上，经被测镜面反射后回到分光镜I，再次被分光镜I反射后经滤光镜与镜头组I直接进入CCDI；激光器II射出的光束经分光镜II分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组II直接进入CCDII，另一束入射到参考反射镜上。上述装置中，所述参考反射镜的轴与旋转臂的轴同轴安装且用弹性联轴器固联，以使调整可行；参考反射镜轴下端采用调心轴承固定，上端为调整装置，参考反射镜可通过调整装置调整，使其旋转过程中法线始终处于水平面内；旋转臂轴上端采用轴承固定，下端采用止推轴承固定。利用上述装置测量水平镜面倾角的方法，包括以下步骤：一、保证旋转臂轴线与当地重力垂线平行，具体操作如下：1）在任意位置调整光学测量系统中各光学模块的调平螺栓，使其水平；2）直线电机处于位置伺服状态，且保持位置不变，控制伺服电机驱动旋转臂由最左端A点旋转至最右端B点；在A点、B点记录参考光产生的CCDII读数，在B点调整调整装置，使B点读数达到调整前A点B点读数的平均值；3）重复2），直至A、B两点读数相同；4）使旋转臂旋转到A、B的中点，调整调整装置，直至该点读数与A点相同；5）重复2）~4），直至三点读数相同。二、当旋转臂轴线与当地重力垂线平行后，开始测量水平镜面的倾角，具体操作如下：1）分别读取CCDI中的测量基准光束与通过被测镜面反射后进入CCDI的反射测量光束。2）若反射测量光束与测量基准光束不重合，通过CCDI测量它与测量基准光束成像点的距离和方位，即可测出被测反光镜偏角及偏斜方位。3）综合CCDI与CCDII这两个测量结果，可以得出被测反光镜相对于水平面的倾斜角和倾斜方位。镜面平行度是指测量多个镜面间的相对平行状态，因此利用上述装置测量镜面平行度时，需要选取一个基准镜面为平行度测量提供参考，将其他镜面作为待测镜面，通过对比得到各镜面相对于基准镜面的平行度，具体步骤如下：1）基准镜面的调整：按上述镜面的倾角测量方法进行基准镜面的倾角测量并调整其至要求角度。2）待测镜面平行度测量：读取待测镜面CCDI中通过待测镜面反射后进入CCDI的反射测量光束，记录其倾斜角。3）将待测镜面的倾角与基准镜面倾角进行对比，可得到待测镜面相对于基准镜面的平行度。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术提供的极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统结构紧凑，工作区域覆盖面比较大，可完成动态实时测量。2、由于引入了参考光束对负载平台自身倾斜角度进行测量，可以将由于旋转臂安装水平误差项、旋转臂结构弹性变形项引起的测量误差补偿掉，从而大大提高了测量精度。3、旋转臂旋转和负载平台沿导轨滑动过程中，可以保证参考光束始终指向极坐标原点；同时参考反光镜与旋转臂同步旋转，在无需附加其它运动补偿和额外驱动的情况下，就可以使参考光始终能够从参考反光镜返回，进入分光镜。4、由于使用弹性联轴器，在保证同步旋转的前提下，参考反光镜法线不会由于负载平台运动引起的旋转臂弹性变形、端部曲翘而受影响。5、通过调整环节调整反射镜法线与水平面的夹角，且由于弹性联轴器和调心轴承的存在，这种调节不会影响轴的正常旋转。6、调心轴承的使用可以使微调轴向时不会给参考反光镜轴施加额外应力，不会导致其变形影响性能。7、采用极坐标方式工作，且参考镜面与旋转臂轴同轴安装，使参考光束能够始终几乎垂直照射参考镜面而无需额外的运动补偿环节。8、使用两套光学测量装置，同时实时测量平台相对于参考镜面偏角和被测镜面相对于平台偏角，并进行补偿，从而使负载平台自身的偏转不影响对被测镜面相对于水平面倾角的测量结果。9、使用直线电机配气浮导轨驱动负载平台，减小振动影响；10、使用分光镜观测，以自身产生的光束之一为参考，抑制平动引起的干扰；11、采用滤光镜滤除环境杂散光影响，仅对激光所在特定波长成像，提高了抗干扰能力，降低力图像处理算法的复杂性和计算负担；12、对CCD图像可以实时自动处理，从而完成自动测量；13、通过电机控制负载平台位置，可以对工作区域内任意点进行实时测量；14、本专利技术可以大幅提高测量精度和各个位置测量精度的一致性。附图说明图1为被测反光镜阵列示意图；图2为测量钢索偏角示意图；图3为本专利技术的极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统整体结构示意图；图4为参考镜安装机构示意图；图5为调整装置俯视图；图6为光学系统工作原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统，其特征在于所述测量系统为极坐标运动形式的框架结构，由立柱、止推轴承、旋转臂、调整装置、负载平台、光学测量系统、伺服电机、圆弧导轨、气浮导轨和直线电机组成，其中：极坐标原点处由立柱支撑，立柱顶端安装有止推轴承，旋转臂一端通过止推轴承固定在立柱上，另一端通过导轨副架在圆弧导轨上，旋转臂由伺服电机驱动绕立柱顶端的止推轴在水平面内旋转，旋转臂上安装有气浮导轨、负载平台和直线电机定子，负载平台由直线电机驱动沿气浮导轨滑动，所述光学测量系统由激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI、CCDII、滤光镜与镜头组I、滤光镜与镜头组II、参考反射镜和被测反光镜组成，激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI和CCDII安装在负载平台上，参考反射镜位于止推轴上方并与止推轴固联，调整装置位于参考反射镜顶部；激光器I射出的光束经分光镜I分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组I直接进入CCDI，另一束入射到被测镜面上，经被测镜面反射后回到分光镜I，再次被分光镜I反射后经滤光镜与镜头组I直接进入CCDI；激光器II射出的光束经分光镜II分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组II直接进入CCDII，另一束入射到参考反射镜上。...

【技术特征摘要】
1.极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统，其特征在于所述测量系统为极坐标运动形式的框架结构，由立柱、止推轴承、旋转臂、调整装置、负载平台、光学测量系统、伺服电机、圆弧导轨、气浮导轨和直线电机组成，其中：极坐标原点处由立柱支撑，立柱顶端安装有止推轴承，旋转臂一端通过止推轴承固定在立柱上，另一端通过导轨副架在圆弧导轨上，旋转臂由伺服电机驱动绕立柱顶端的止推轴承在水平面内旋转，旋转臂上安装有气浮导轨、负载平台和直线电机定子，负载平台由直线电机驱动沿气浮导轨滑动，所述光学测量系统由激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI、CCDII、滤光镜与镜头组I、滤光镜与镜头组II、参考反射镜和被测反光镜组成，激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI和CCDII安装在负载平台上，参考反射镜位于止推轴承上方，参考反射镜的轴与旋转臂的轴同轴安装，且用弹性联轴器固联，调整装置位于参考反射镜顶部；激光器I射出的光束经分光镜I分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组I直接进入CCDI，另一束入射到被测镜面上，经被测镜面反射后回到分光镜I，再次被分光镜I反射后经滤光镜与镜头组I直接进入CCDI；激光器II射出的光束经分光镜II分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组II直接进入CCDII，另一束入射到参考反射镜上。2.根据权利要求1所述的极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统，其特征在于所述参考反射镜的轴与旋转臂的轴同轴安装且用弹性联轴器固联。3.根据权利要求1所述的极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统，其特征在于所述参考反射镜轴下端采用调心轴承固定，上端为调整装置，旋转臂轴上端采用轴承固定，下端采用止推轴承固定。4.一种利用权利要求1-3任一权利要求所述的极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统测量水平镜面倾角的方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、调整旋转臂轴线与当地重力垂线平行；二、分别读取CCDI中的测量基准光束与通过被测镜面反射后进入CCDI的反射测量光束；三、若反射测量光束与测量基准光束不重合，通过CCDI测量它与测量基准光束成像点的距离和方位，即可测出被测反光镜偏角及偏斜方位；四、综合CCDI与CCDII测量结...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢鸿谦，刘国平，尹航，班晓军，陈力恒，黄显林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23