準直儀的原理是什么？有哪些典型應用？含實際案例分享

羅羅日記 · 發表于 2020-6-20 10:47:06

這幾天，我都在寫PPT。

寫什么呢？

主要是寫機器的校準流程。

因為最近給華為做的測試平臺完成了，給布線部門提供了一份布線資料后，就開始寫機器的校準了。

這次，用到的校準工具包括自動準直儀，以及與之相配的分光鏡，當然還有確定高度的激光位移傳感器，以及一些校準玻璃和工件。

東西不多，但是價格卻不便宜，算下來大概要十多萬。

對我這種不怎么花錢的人來說，這夠我花個兩三年了。

這，我是不是應該去賣儀器？

開個玩笑。

說起準直儀，其實之前也用過。

但是，它的原理是什么？在機械領域有哪些典型的應用？

這就是今天我要說的。

準直儀，顧名思義，就是看目標垂不垂直，和誰垂直？和準直儀的光軸垂直。

所以它是校準，或者測量角度的儀器，原理是什么呢？

看圖說話。

自動準直儀的原理

在準直儀內部，光源Illumination（一般為LED或者激光）發出的光，照射到目標刻線Object Reticle上，而后到達分光鏡Beam Splitter，并被反射到物鏡Objective Lens上，然后從準直儀射出，打在反射鏡上。

Beam Splitter，其實嚴格來說，應該翻譯成分束器，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，到達成像平面Image Plane的原點。

如果反射鏡傾斜一個角度α，那么刻線將按藍色路徑反射回去，最終不會落在像平面的原點，而會落在距離原點為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？

看一個放大圖就清楚了。

根據幾何關系可知Tan2α=d/f，對于小角度偏轉，數學上有2α=d/f，即α=d/2f。

所以，可以根據像平面上的十字刻線移動量，來測量鏡子的偏轉角度。

當然，實際的自動準直儀（Autocollimator），像平面上是成像傳感器，可以探測返回刻線的偏移量。

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

如果要用于測量或者校準，可以先把準直儀放在可調整平臺，調整初始位置，使得返回刻線和零位重合，再移動鏡子測量其角度變化，進而反應出待測量。

原理就這樣。

說說我最近的使用案例吧。

我是用自動準直儀，來校準幾個目標的平行度。

原理如下圖。

準直儀校準平行度的原理

首先是設定基準0，就是用激光位移傳感器來測量目標0的底面，使得其高度在345mm±30um范圍以內。這里的激光位移傳感器重復性是2um。

然后以此為基準，調整準直儀：把分光鏡單元和自動準直儀底座，固定在同一個部件上，分光鏡單元不動，準直儀底座可以調整。

通過調整底座，可以使準直儀發出的刻線光，經過分光鏡，打在位于基準目標0上的反光玻璃面上，然后反射回準直儀原點。

此分光鏡單元，包含一個分光鏡和一個反射鏡。

左邊是一個分光鏡，右邊是一個反射鏡。

什么是分光鏡（Beam Splitter）？

分光鏡／分束器

分光鏡就是把一束光，分成兩束光的光學元件。

其原理也很簡單，說穿了就是反射和折射。

例如我這里，把從左邊進入的光線，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）。

向右的光束再經過反射，向上打在待測定的目標1上。

而向下的光束，直接打在待測定的目標2和3上，2和3分別單獨測定。

然后校準3個目標，準直儀和分光鏡固定不動，分別調整3個待校準目標的傾斜度，使其返回的十字刻線，回落在準直儀的原點，校準完成。

當然，這里是通過相機傳感器抓取圖像，然后在軟件上顯示的原點。

準直儀測量精度是3.3arcsec，也就是3.3/3600=0.00091667°。

細心的你，也許會問，既然可以用激光位移傳感器來校準目標0，那么為什么不直接用激光傳感器來校準目標1，2，3呢？

這個問題，問得很好。

其實，這里的目標1，是很大的玻璃，有點像我之前在同步帶那篇文章中所提到的玻璃。

對于目標1，是可以使用激光位移傳感器來測量校準的。

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

第二，因為玻璃可以反光，同時它體積大，可以測量多點。

第三，在機器底板上有放置傳感器的空間，容易實現測量。

但是，對于目標2和目標3，就不那么容易了。

因為目標2和3都是6自由度運動軸，校準的目標是找到運動軸在哪個位置時，末端的夾子或者吸嘴處于水平狀態。

所以激光位移傳感器不太適合了，反倒是準直儀更適合。

校準也只需要用很小的玻璃，放置在校準工具上就可以了。

當然，水平校準，只是整個校準中的一部分。

其實全部的校準，還包括中心對準，以及一些關鍵工藝的工藝位置校準，不過是用其他的校準工具來完成的。

比如目標1的中心對準，是用位于目標0上的相機校準工具，來看目標1上的特征，如果不在中心，就移動特征（這里更關心的是特征位置，而不是玻璃板的位置）。

目標2和3的中心對準，是用位于目標0上的相機校準工具，向下看位于2和3上，有一定特征圖案的校準玻璃來完成。

既然都說到這里來了，我想多提一點，上面有說到，準直儀和目標平臺，都是需要調整傾斜度的。

但是，它們的調整方式有些不一樣。

準直儀和平臺1是手動調整，平臺2和3是運動軸自動調整。

說說手動調整結構吧，因為這些結構，在很多需要調整的地方使用頻繁，通用性強。

平臺1調整結構

平臺1的傾斜度調整結構如上圖。

被調整目標放在被調整板上，調整前，鎖緊螺母和鎖緊螺釘處于放松狀態，擰動調節螺釘，可以改變調整板在此點的高低，從而實現傾斜度的調整，調節螺釘調到恰當的位置后，擰緊鎖緊螺母和螺釘。

當然，下面的第二種結構，我們很多時候也會用到，它常常用于結構緊湊，且重量不是很大的調節中。

是不是很簡單。

準直儀傾斜度調整結構的原理，其實和我之前在《機器人末端的快換裝置，有哪些設計要點？》中提到的結構V1.0，有相同的定位原理。

就是用三個V形槽，和端部帶球面的調整螺釘配合調整Rz，Ry角度，只不過這里用壓簧做預壓而已。

上面說了我這次校準的應用，其實，準直儀還有更多的應用。

上次我寫完滾珠絲杠，就有伙伴在后臺留言，問我導軌的平行度怎么測量。

當時我說，我了解得也不是很多，讓他去了解一下，然后告訴我，不知道這個伙伴后來有沒有去了解。

因為這次我寫這個校準流程，自然就多了解了一下準直儀的應用，發現其實可以用它來測量導軌的平行度。

當然還有一些其他更多的應用，我在這里記錄一下，也方便下次需要時使用。

如何用準直儀測量直線度？

把準直儀固定，反光鏡放置在需要檢測的表面上，沿著測量方向上，每次移動反光鏡相同的距離，例如50mm，在準直儀上讀出刻線的變化量，依次測量出每一段的高低變化，也就得出直線度。

如何用準直儀測量導軌的平行度？

測量方法：準直儀安裝在三角架或者穩定平臺上，用90度轉光鏡把準直儀光線轉到滑塊運動方向，目的是轉變準直儀刻線投射方向，并使得測量第二個導軌時，準直儀不用動，也就是作為測量兩個導軌運行平行度的統一基準。

然后把反射鏡安裝在滑塊上，移動滑塊來測量導軌1的直線度，用同樣的方法，把轉光鏡和反射鏡挪動，再測量導軌2的直線度，測量完成后，可以計算兩個導軌的平行度。

如何用準直儀測量平面度？

沿多個方向測量出直線度，再計算出平面度。測量的方向構成一個口里有米的圖案，如下。最后再做數據處理，完成平面度的測量。

如何用準直儀測量/校準旋轉平臺的精度？

多邊形基準鏡，用于測量或者校準旋轉平臺的精度。

用得多的是8，12，16邊形鏡，因為多邊形鏡也不準，所以通常會有一張校準表，表示實際的角度。感興趣的可以去了解一下多邊形鏡的校準方法。

接下來，如何測量旋轉平臺的精度？

把鏡子安裝在旋轉平臺上，用鏡子的中心孔定位，然后旋轉平臺，使鏡子的某一面對準準直儀，使反射的十字光標對準準直儀原點，這時，初始角度就設定好了，把旋轉平臺的編碼器讀數清零，接下來就可以開始測量鏡子角度誤差了。

方法是，旋轉平臺到下一面鏡子的名義角度，比如對于8面鏡，第一面對準后，現在需要旋轉360/8=45度，通過轉動平臺的編碼器讀取到45度時，停止旋轉，然后在準直儀上讀取光標的偏移量，用于計算鏡子角度的偏差。依次轉動，用同樣的方法測量其他的面，這樣就測量了旋轉平臺的誤差。

還有一種測量方法，是轉動到某一個面后，使得準直儀中的讀數是零，這時候編碼器的讀數角度和名義角度的差就是誤差。

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