专利名称：一种海德汉长度计安装角度的检测装置及检测方法
技术领域：
本发明属于先进光学制造与检测技术领域，是一种非接触式测量装置及测量方 法，它既可以测量垂直安装的海德汉，也适用于水平安装的海德汉。
背景技术：
大型光学仪器和设备，无论是空间的还是地面的，近几年都呈现日益迫切的需求。 随着航空航天技术发展，作为光学系统关键部件的光学镜面的口径越来越大，精度越来越 高，对大口径光学镜面的制造需要相应的检测技术要求也越来越来高。对光学镜面的定量 检测，尤其是研磨阶段检测技术，成为光学制造过程中的瓶颈之一。这是光学加工过程中急 需解决的问题之一。在研磨阶段，主镜镜面的面形误差较大，对测量精度的要求不高，可用红外干涉仪 进行干涉测量或轮廓仪进行检测。红外干涉仪采用大量红外材料，这些材料不仅制造成本 高，而且在进行干涉条纹图像采集时，图像容易受到机械振动和空气抖动的影响，对工作环 境的要求比较高，不利于车间检测。除此之外，在对非球面镜进行检测的时候，还必须加装 补偿镜，这会增加制造成本。比较典型的轮廓仪包括三坐标测量仪以及专门设计的轮廓仪。 三坐标测量仪是用测头对整个被测面进行接触式测量，因此测量周期长，测量精度有限、增 加了主镜检测搬运的风险，难以适用大口径的光学元件测量。为解决大口径镜面研磨阶段的轮廓测量，国内相关研究单位和高校做了大量的研 究工作。其中长春光机所采用双海德汉长度计加标准平尺的结构，通过对两个双海德汉长 度计的差分，实时消除了测量系统误差，提高了测量精度；并且研制出1800mmX1200mm范围 内非球面加工中心的在线测量单元，在这方面已取得了突破。但是，海德汉长度计安装角度 的测量装置及方法并未见报道。

发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种海德汉长度计安装角 度的检测装置及检测方法，该检测装置及检测方法可以精确测量长度计的安装角度，提高 海德汉长度计测量镜面矢高数据的可靠性，具有装置结构简单，成本低廉的优点。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括可调底座、(XD、光阑、成像透镜及 透镜支架、水平仪和计算机系统；(XD、光阑、成像透镜及透镜支架、水平仪均位于可调底座 上；水平仪与可调底座配合使用，使CCD所在平面尽可能的处在水平或垂直方向，其中前者 是用于测量垂直安装的长度计，而后者是用于测量水平安装的长度计；成像透镜及透镜支 架使海德汉长度计测量杆的球头成像在CCD上，采用透镜支架进行调焦；光阑位于海德汉 长度计和成像透镜及透镜支架之间，用于限制海德汉长度计测量杆的球头的成像范围；所 述计算机系统有两个功能，一个是用于CCD图像采集和显示，另一个是图像处理和海德汉 长度计安装角度的计算，计算机系统与CCD相连，用于采集图像，一次测量需要采集两幅图 像，CCD在采集两幅图像的过程中不得有任何移动或转动，海德汉长度计测量杆的球头处于零位的时候采集一幅，处于非零位的时候采集另一幅，得到球头在零位和非零位时测量位置的变化量S X，并利用海德汉长度计的数显即得知球头在零位和非零位时实际位置的变
化量S Z，根据三角原理即可得出海德汉长度计的安装角度，安装角度<formula>formula see original document page 4</formula>所述可调底座需要二维可调，以方便调整底座与选定的两个坐标轴的夹角。所述光阑可以是方形孔或圆形孔，其具体的类型和尺寸根据被测目标而定，选择 的基本原则是尽量只有球头的像通过，而尽量抑制背景，即CCD采集到的图像应包含球头 和尽量简单的背景。透镜支架是可调的，用于调焦，以满足球头处在不同位置时，它的像刚好处在CXD 平面上，由于只采集两幅图像，所以是手动调节即可。这种海德汉长度计安装角度的检测方法，步骤如下第一步根据海德汉长度计测量杆的球头直径来选择光阑，以使球头在不同位置 处都能全部成像在CCD上，而背景尽可能小为准；第二步将水平仪放在可调底座上，使其与可调底座的一边平行，调整可调底座使 水平仪为水平；然后将水平仪放在与可调底座另一边平行的位置，调节可调底座使水平仪 为水平，最后将水平仪放回第一位置，观察水平仪是否依然水平，如果仍然不是水平，则重 复前面的步骤，直到两个位置均为水平；第三步根据海德汉长度计的理想安装位置，在可调底座上安装(XD、成像透镜及 透镜支架(3)和光阑，安装的原则是C⑶平面与海德汉长度计的理想安装位置垂直；第四步操作海德汉长度计，将其球头置于零位；调节透镜支架，使计算机系统采 集到的图形边缘最为清晰，用计算机系统采集第一幅图像，按照同样的办法，采集第二幅图 像；第五步对所采集的图像进行处理，得到球头在零位和非零位时测量位置的变化 量S X，并利用海德汉长计度的数显即得知球头在零位和非零位时实际位置的变化量δζ，
根据三角原理即可得出海德汉长度计的安装角度，安装角度<formula>formula see original document page 4</formula>^)。本发明的优点在于(1)本发明结构简单，操作方便，既可以测量水平安装的角度，也可以测量垂直安 装的角度。(2)本发明采用成像的方法测量，对光源的时间相干性和空间相干性没有特别要 求，只需均勻背景光即可保证球头球心位置的拟合精度。(3)本发明采用的光阑可以更换，以适应不同类型的长度计，由于它遮挡住了图像 大部分背景，简化了图形处理的难度。(4)本发明对可调底座与参考面的夹角不敏感，用水平仪即可完成底座的安装，因 此调整过程简单，易于实现。此外，本发明只需一个水平仪就可实现底座的二维调整，成本 低。


图1为本发明检测水平安装海德汉长度计的系统构成示意图；图中1为计算机系统，2为高精度(XD，3成像透镜和相应的支撑结构、4为光阑，5为水平仪的其中一个放置位置，6为可调底座，7为待测海德汉长度计；图2为本发明安装角度原理的示意图(夸张表示)；图3为本发明中的图像处理的流程图；图4为本发明可调底座的结构示意图，11为上底板、12为微调螺栓、13为支撑钢 珠、14为下底板、15为支脚；图5为本发明可调底座下底板的结构示意图；图6是本发明的微调螺栓的结构示意图；图7为本发明检测水平安装海德汉长度计的系统构成示意图。
具体实施例方式如图1所示，图1中的海德汉长度计7是水平安装的。本发明检测装置由计算机系 统1、(XD2、成像透镜及其支架3、光阑4、水平仪5和可调底座6组成。水平仪5位于可调底 座6上，并与可调底座6配合使用，使可调底座6的上表面处于水平位置，进而保证(XD2所 在平面与海德汉的理想安装位置垂直；成像透镜及其支架使海德汉长度计7测量杆的球头 成像在CCD平面上；光阑4用于限制成像的范围；计算机系统1与高精度CCD2相连，用于采 集和处理图像，一次测量需要采集两幅图像。海德汉长度计7测量杆的球头处于零位的时 候采集一幅，处于非零位的时候采集另一幅，通过分析两幅图上球头的测量位置的变化量， 并利用球头的实际位置变化量，根据是三角原理即可得出海德汉长度计7的安装角度。其中的计算机系统1主要完成两个功能，一个是图像的采集和显示；另一个是图 像的分析和角度计算，这需要人工完成。系统中采用的光阑4是可更换的，在测量过程中需 要根据实际情况进行选择，目的是尽量减少成像到CCD上的背景；在拍摄两幅图像的时候， 都需要调焦，以便使球头的像刚好落在CCD2的平面上；在拍摄两幅图像的过程中，除球头 和用于支撑透镜进行调焦的支架以外的部件不能有位移或转动。计算安装角度的原理如图2所示，其中的ZO和Zl分别表示零位和非零位时海德 汉长度计测量杆球头的球心，XO和Xl分别是球心在各自位置向参考面的投影；计算机系统1具体的图像采集过程如下(1)将海德汉长度计7测量杆置于零位，在调好焦距后，计算机系统1发出数据采 集命令，采集(XD2上面的数据，并且存入计算机系统1内部，这是第一幅图像，这时海德汉 长度计7测量杆球头的实际位置为Z0，这一个值可以从海德汉长度计的数显中获得，这一 坐标与图2中的ZO对应。(2)控制海德汉长度计7，使其测量杆位于非零位，调节焦距，计算机系统1发出数据采集命令，采集(XD2上面的数据，并且存入计算机系统1，这是第二幅图像，这时海德汉 长度计7测量杆球头的实际位置为Z1，这一坐标与图2中的Zl对应，测量杆球头的实际位 置变化量等于Z1-Z0，至此计算机系统1已经完成灰度图像的采集。如图3所示，计算机系 统1处理图像和计算安装角度的过程如下(1)图像的预处理即图像平滑处理，这一步的主要目的是减少图像噪声，提高边缘检测的精度；(2)进行二值化，即将灰度图转化成只有0、1的二值图。这一步直接调用MATLAB 中的im2bw()命令即可完成，im2bw()命令所要求的阈值，可根据实际情况进行选择，但一般使用graythreshO计算得到；(3)边缘检测，目的是得出球头的轮廓，为圆心的拟合做准备；这一步直接调用 MATLAB中的edgeO命令即可完成，其中，算子一般选择sobel算子；之后需对图像的联通 区域进行标注，方便圆心的拟合，这一步需调用MATLAB中的bwlabel ()命令；(4)用最小二乘法进行圆心拟合，圆心与图2中的χ坐标相对应。假设第一次得到 的圆心为X0，重复前面步骤，得到第二个圆心X1，X1-X0就是球头测量位量变化量在CXD平 面上的投影；(5)海德汉长度计测量杆球头在CXD平面上的位置变化量δ χ = Xl-XO、球头在与 C⑶平面垂直的平面内两个位置的高度差、测量杆球头的实际位置变化量δ ζ = Zl-ZO三者 之间呈直角三角形，如图2所示。根据直角三角形的性质，可以用下面的表达式来计算海德 汉长度计的安装角度
<formula>formula see original document page 6</formula>
如图4所示，本发明的可调底座6的三维结构示意图，它的主要零件有上底板11、 下底板14、支脚15、微调螺栓12和钢珠13。上下底板通过一个钢珠联接在一起，下底板是 基准面，上底板在钢珠上实现角度调整；整个结构有4个支脚，它们主要是用于粗调角度； 虽然设计4个微调螺栓孔，但是在微调角度的时候只需要使用其中相邻的两个；钢珠、微调 螺栓和支脚的位置关系如图5所示。图5为本发明可调底座下底板的结构示意图，其中a、 b、c、d为四个支脚的安装位置，e、f、g、h为4个微调螺栓的安装位置，i为支撑钢珠的安装 位置；微调螺栓虽有4个，但是微调时，只使用其中相邻的两个，其余两个是在微调后固定 上下底板相对位置的。微调螺栓的标号方法如图5所示。可调底座6的微调的工作原理在调整角度时 需要松开两个相邻的微调螺栓，比如松开编号为e和f的两个螺栓，上下底板实际接触的点 只有三个g号螺栓、h号螺栓和支撑钢珠，转动任意一个螺栓即可实现上底板绕支撑钢珠 与另一个螺栓所在的方向转动。本发明检测方法的工作过程以及检测步骤如下第一步根据海德汉长度计7测量杆的球头直径来选择光阑，以球头在不同位置 处都能全部成像在(XD2上，而背景尽可能小为准；第二步调整可调底座，使其上表面为水平，其具体步骤为分别转动四个支脚进 行粗调，大致调平以后，松开四个微调螺栓中相邻的两个，如e号与f号；将水平仪5放在可 调底座6上，使其与g号螺栓与支撑钢珠所在方向平行，转动h号微调螺栓，使水平仪5为 水平；然后将水平仪5放在与h号螺栓与支撑钢珠所在方向平行，转动g号微调螺栓使水平 仪5为水平，最后将水平仪5放回前一位置，看它是否依然水平，如果不是水平，则重复前面 的步骤，直到两个位置都为水平。完成后，转动另外两个微调螺栓，固定上底板的位置。微 调螺栓的结构如图6所示，该螺栓的螺杆的上部，即球头一端，为光杆，下部有螺纹，它的长 度由可调底座的6的下底板14的厚度决定，最下端即呈长方体的部分供扳手使用的；微调 螺栓顶部的球头与孔配合实现转动；它的下部非螺纹部分与孔为间隙配合，避免转动过程 中上底板与它卡死。第三步根据海德汉长度计7的理想安装位置，在可调底座6上安装(XD2、成像透镜和透镜支架3和光阑4，安装的原则是(XD2的平面与海德汉长度计7的理想安装位置垂装置。第四步操作海德汉长度计7，将球头置于零位；调节透镜支架，使计算机系统1采 集到的图形边缘最为清晰，用计算机系统1采集第一幅图像。按照同样的办法，采集第二幅 图像。第五步对图像进行处理，得出球头测量位置变化量δ χ，结合球头的实际位置变
化量52，可以计算出安装角度<formula>formula see original document page 7</formula>本发明检测垂直安装海德汉长度计的系统示意图(除计算机系统和水平仪)如图 7所示，图中的组件为有高精度(XD2、成像透镜和相应的支撑结构3、光阑4，可调底座6， 待测海德汉长度计7 ；与图1相比，二者的唯一的区别是可调底座6与(XD2、成像透镜及相 应的支撑结构3和光阑4的组合方式不同，图7中CCD平面与可调底座6的平面平行，而图 1中二者之间的关系是垂直的；其它的，如可调底座的调整方式、计算机采集和处理图像的 过程、检测原理和检测步骤等，完全一样。需要注意的只有一点可调底座也是水平的。
权利要求
海德汉长度计安装角度的检测装置，其特征在于包括可调底座(6)、CCD(2)、光阑(4)、成像透镜及透镜支架(3)、水平仪(5)和计算机系统(1)；CCD(2)、光阑(4)、成像透镜及透镜支架(3)、水平仪(5)均位于可调底座(6)上，水平仪(5)与可调底座(6)配合使用，使CCD(2)所在平面尽可能的处在水平或垂直方向；成像透镜及透镜支架(3)使海德汉长度计(7)测量杆的球头成像在CCD(2)上，采用透镜支架进行调焦；光阑(4)位于海德汉长度计(7)和成像透镜及其支架(3)之间，用于限制海德汉长度计(7)测量杆的球头的成像范围；所述计算机系统(1)有两个功能，一个是用于CCD(2)图像采集和显示，另一个是图像处理和海德汉长度计(7)安装角度的计算，计算机系统(1)与CCD(2)相连，用于采集图像，一次测量需要采集两幅图像，CCD(2)在采集两幅图像的过程中不得有任何移动或转动，海德汉长度计(7)测量杆的球头处于零位的时候采集一幅，处于非零位的时候采集另一幅，得到球头在零位和非零位时测量位置的变化量δx，并利用海德汉长度计(7)的数显即得知球头在零位和非零位时实际位置的变化量δz，根据三角原理即可得出海德汉长度计(7)的安装角度，安装角度FSA00000110091300011.tif
2.根据权利要求1所述的海德汉长度计安装角度的检测装置，其特征在于所述可调 底座(6)为二维可调，它与水平仪(5)结合使用可以使水平仪(5)上平面与水平面平行。
3.根据权利要求1所述的海德汉长度计安装角度的检测装置，其特征在于所述光阑(4)采用方形孔或圆形孔，可根据不同的测量目标而更换。
4.根据权利要求1所述的海德汉长度计安装角度的检测装置，其特征在于所述的 CCD(2)、成像透镜及透镜支架(3)和光阑(4)为一体，它们与可调底座(6)分开。
5.海德汉长度计安装角度的检测方法，其特征在于步骤如下第一步根据海德汉长度计(7)测量杆的球头直径来选择光阑(4)，以使球头在不同位 置处都能全部成像在CXD (2)上，而背景尽可能小为准；第二步将水平仪(5)放在可调底座(6)上，使其与可调底座(6)的一边平行，调整可 调底座(6)使水平仪(5)为水平；然后将水平仪(5)放在与可调底座(6)另一边平行的位 置，调节可调底座(6)使水平仪(5)为水平，最后将水平仪(5)放回第一位置，观察水平仪(5)是否依然水平。如果不是水平，则重复前面的步骤，直到两个位置均为水平；第三步根据海德汉长度计(7)的理想安装位置，在可调底座(6)上安装CCD (2)、成像 透镜及透镜支架(3)和光阑(4)，安装的原则是CCD(2)所在平面与海德汉长度计(7)的理 想安装位置垂直；第四步操作海德汉长度计(7)，将其球头置于零位；调节透镜支架，使计算机系统(1) 采集到的图形边缘最为清晰，用计算机系统(1)采集第一幅图像，按照同样的办法，采集第二幅图像；第五步对所采集的图像进行处理，得到球头在零位和非零位时测量位置的变化量 S X，并利用海德汉长计度(7)的数显即得知球头在零位和非零位时实际位置的变化量δ Z，根据三角原理即可得出海德汉长度计(7)的安装角度，安装角度0 = arcsin(i)。
全文摘要
海德汉长度计安装角度的检测装置及检测方法，包括可调底座、高精度CCD、光阑、成像透镜及其支架、水平仪和计算机系统。水平仪和可调底座配合使用，使高精度CCD所在平面尽可能的处在水平或垂直方向；成像透镜及其支架使海德汉长度计测量杆的球头成像在CCD上；光阑用于限制成像的范围；计算机系统与高精度CCD相连，用于采集和分析图像。一次测量需要采集两幅图像。海德汉长度计测量杆的球头处于零位的时候采集一幅，处于非零位的时候采集另一幅。通过分析两幅图上球头位置的变化量，并利用球头的实际位置变化量，根据三角原理即可得出海德汉长度计的安装角度。本发明可以精确测量长度计的安装角度，提高海德汉长度计测量数据的可靠性，具有装置结构简单，成本低廉的优点。
文档编号G01M11/00GK101825449SQ20101016718
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者周家斌, 张宜春, 范斌 申请人:中国科学院光电技术研究所