（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

光學(xué)轉(zhuǎn)鼓廣泛應(yīng)用于掃描檢測(cè)、紅外成像等領(lǐng)域，一般掃描檢測(cè)用的轉(zhuǎn)鼓多為一維塑性金屬反射轉(zhuǎn)鼓[1～3]，而紅外成像用的轉(zhuǎn)鼓多為二維紅外晶體折射轉(zhuǎn)鼓[4]。根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)轉(zhuǎn)鼓各表面之間的角度偏差要求較高，一般在超精密機(jī)床上采用超精密飛切的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[1～4]。加工后為了檢驗(yàn)其合格性，常采用光電自準(zhǔn)直儀進(jìn)行一維轉(zhuǎn)鼓和二維轉(zhuǎn)鼓的角度誤差測(cè)量[5,6]。一維轉(zhuǎn)鼓的角度誤差檢測(cè)技術(shù)相對(duì)容易，但是對(duì)于二維轉(zhuǎn)鼓來(lái)說(shuō)，檢測(cè)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜。在識(shí)別轉(zhuǎn)鼓結(jié)合表面和晶體晶面偏角之間的關(guān)系可以采用X射線衍射定向儀來(lái)進(jìn)行[7]。而在角度誤差測(cè)量方面，2016年昆明物理研究所的王喬方等人[6]為了改變六面折射轉(zhuǎn)鼓測(cè)試系統(tǒng)中目視讀數(shù)誤差大，測(cè)量效率低的問(wèn)題，提出了一種結(jié)合高精度光電自準(zhǔn)直儀和一維光學(xué)分度頭測(cè)量六面折射轉(zhuǎn)鼓角度誤差的方法，但是該方法在具體測(cè)量過(guò)程中需要增加平晶和五棱鏡的基準(zhǔn)標(biāo)定步驟。

為了實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中二維轉(zhuǎn)鼓各角度的準(zhǔn)確檢測(cè)，有效保證出廠質(zhì)量。本文基于X射線衍射儀的三維轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一套二維轉(zhuǎn)鼓各表面角度誤差測(cè)量裝置，經(jīng)過(guò)激光測(cè)角儀在探測(cè)器位置上的替換安裝既可以實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)鼓的角度誤差的一次性測(cè)量，這對(duì)于研究在位和固定基準(zhǔn)條件下的二維轉(zhuǎn)鼓晶體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)角的統(tǒng)一測(cè)量具有重要意義。

1 二維轉(zhuǎn)鼓激光測(cè)角原理

采用基于激光測(cè)角傳感器自準(zhǔn)直測(cè)量原理是一種非接觸式測(cè)量方法，它具有準(zhǔn)確性高和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。激光自準(zhǔn)直原理就是激光位于物鏡的焦平面上時(shí)，光線通過(guò)物鏡折射為平行光，然后被垂直于光軸的平面反射鏡循原路反射回來(lái)，再通過(guò)物鏡后在焦平面上形成分劃板標(biāo)線像與標(biāo)線重合。若是平面反射鏡有α角度偏斜時(shí)，則激光線聚焦后成的像將偏離光源的初始位置，反射回來(lái)的激光就傾斜2α角，如圖1所示。激光經(jīng)過(guò)物鏡聚焦之后會(huì)在四象限光電探測(cè)器上形成一個(gè)穩(wěn)定微小的光斑，當(dāng)激光發(fā)生偏移之后光斑會(huì)有相應(yīng)的移動(dòng)，通過(guò)光斑位置的變化及物鏡的焦距可以測(cè)得偏轉(zhuǎn)角α，從而實(shí)現(xiàn)激光測(cè)角傳感器微小傾角（反射鏡與光軸垂直面的夾角）的測(cè)量。

所測(cè)二維轉(zhuǎn)鼓具有不規(guī)則性，其六個(gè)折射平面與中心軸線之間都有一定的傾斜角度，分別為5°55'15"、2'45"、5°49'45"、-5°55'15"、-2'45"和-5°49'45"，如圖2所示。其中，1面和4面、2面和5面、3面和6面為三組平行折射面。每個(gè)側(cè)表面相對(duì)于上、下表面基準(zhǔn)面的傾角誤差和相鄰兩個(gè)側(cè)表面的中心角轉(zhuǎn)角誤差均為±20''的范圍。所以二維轉(zhuǎn)鼓的角度測(cè)量需要三維轉(zhuǎn)角平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同傾角和轉(zhuǎn)角的測(cè)量。轉(zhuǎn)鼓的上表面基準(zhǔn)面豎直朝上放置時(shí)（下表面基準(zhǔn)面和方位軸轉(zhuǎn)臺(tái)的平面基準(zhǔn)重合），該平臺(tái)可以通過(guò)橫滾軸模塊進(jìn)行激光測(cè)角傳感器的豎直調(diào)整，使激光測(cè)角傳感器發(fā)射的激光束與二維轉(zhuǎn)鼓被測(cè)側(cè)表面的法線平行（重合）。自準(zhǔn)直后再通過(guò)方位軸的水平旋轉(zhuǎn)，將二維轉(zhuǎn)鼓的被測(cè)側(cè)表面調(diào)整至裝載激光測(cè)角傳感器一側(cè)，根據(jù)激光測(cè)角傳感器的測(cè)角范圍設(shè)定三維轉(zhuǎn)角平臺(tái)的俯仰軸進(jìn)行較大角度的補(bǔ)償，從而完成二維轉(zhuǎn)鼓1～6不同側(cè)表面相對(duì)基準(zhǔn)面傾角的檢測(cè)。而僅通過(guò)方位軸轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)鼓相鄰側(cè)表面之間夾角的測(cè)量。

圖1 激光測(cè)角傳感器工作原理

圖2 二維不規(guī)則轉(zhuǎn)鼓模型

2 檢測(cè)裝置搭建

根據(jù)二維轉(zhuǎn)鼓激光測(cè)角原理，依托X射線衍射儀自帶的三維轉(zhuǎn)角平臺(tái)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了二維轉(zhuǎn)鼓測(cè)角裝置，如圖2所示。該裝置包括水平轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)和橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)，其中水平轉(zhuǎn)臺(tái)和俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)共同構(gòu)成X射線衍射儀的二維樣品臺(tái)，而橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)為X射線探測(cè)器的偏轉(zhuǎn)臺(tái)。三維轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角位置精度為±0.0001°，轉(zhuǎn)角分辨率為0.00001°，可以滿足二維轉(zhuǎn)鼓的角度測(cè)量精度。在二維樣品臺(tái)放置豎直放置的二維轉(zhuǎn)鼓，在探測(cè)器位置改裝激光測(cè)角儀，即可通過(guò)X射線衍射儀的三維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)高精度調(diào)整激光光束相對(duì)于二維轉(zhuǎn)鼓各側(cè)表面的預(yù)置角度，最終實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)鼓每個(gè)側(cè)表面相對(duì)于基準(zhǔn)面的傾角和相鄰兩個(gè)側(cè)表面的中心轉(zhuǎn)角的測(cè)量。

激光（二維）測(cè)角儀采用日本Keyence的LA-2010進(jìn)行角度測(cè)量，其性能指標(biāo)為：分辨率5''，測(cè)定范圍±1.5°，定距離200mm，激光點(diǎn)直徑φ2mm，光源波長(zhǎng)670nm。測(cè)量過(guò)程中可以通過(guò)匹配的LA-2000顯示器來(lái)顯示角度和檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量信息，如圖4所示。改造后的檢測(cè)裝置如圖5所示。

圖3 二維轉(zhuǎn)鼓測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)方案

圖4 激光測(cè)角傳感器和顯示器

圖5 基于X射線衍射儀的二維轉(zhuǎn)鼓檢測(cè)裝置改造及角度檢測(cè)試驗(yàn)

3 二維轉(zhuǎn)鼓角度測(cè)量試驗(yàn)

首先將二維轉(zhuǎn)鼓豎直放置在三維樣品臺(tái)上，下表面基準(zhǔn)面和樣品臺(tái)平面重合，同時(shí)使轉(zhuǎn)鼓軸線和水平轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸線重合。通過(guò)X射線衍射儀三維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)控制方位轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，將二維轉(zhuǎn)鼓待測(cè)表面的位置置于激光測(cè)角傳感器測(cè)量區(qū)域內(nèi)，可由四象限顯示器光斑的狀態(tài)及位置直接觀察，根據(jù)光斑所在象限位置對(duì)水平轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)（補(bǔ)償基準(zhǔn)面接觸誤差）和橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行綜合調(diào)整，使形成的光斑穩(wěn)定位于顯示器中X、Y坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置（顯示數(shù)據(jù)歸零），則完成1號(hào)側(cè)表面的標(biāo)定并將相對(duì)橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)的初始角度測(cè)量結(jié)果記錄為an0。標(biāo)定二維轉(zhuǎn)鼓上表面基準(zhǔn)面時(shí)，保持水平轉(zhuǎn)臺(tái)（記錄初始角度θn0）、俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)位置不變，轉(zhuǎn)動(dòng)橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)使上表面基準(zhǔn)面位于激光測(cè)角傳感器測(cè)量區(qū)域內(nèi)。根據(jù)光斑位置情況對(duì)橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，使光斑在四象限顯示器坐標(biāo)系的Y軸線上，即完成基準(zhǔn)面的標(biāo)定記錄為an1。橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)在豎直空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為待測(cè)側(cè)表面法線與二維轉(zhuǎn)鼓軸線的夾角，該夾角對(duì)應(yīng)的補(bǔ)角即為二維轉(zhuǎn)鼓被測(cè)側(cè)表面與基準(zhǔn)面的傾角，表示為：an=π-(an1-an0)。檢測(cè)試驗(yàn)如圖5、圖6所示。

測(cè)量二維轉(zhuǎn)鼓任意相鄰兩個(gè)側(cè)表面的中心轉(zhuǎn)角時(shí)，通過(guò)調(diào)整光斑位置使之位于四象限顯示器的坐標(biāo)系原點(diǎn)處，完成1號(hào)側(cè)表面的標(biāo)定；然后控制水平轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)60°（順時(shí)針、逆時(shí)針），若在四象限顯示器坐標(biāo)系中找不到光斑位置，可調(diào)整橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)使相鄰2號(hào)側(cè)表面的激光反射光斑位于激光測(cè)角傳感器測(cè)量區(qū)域，并通過(guò)微調(diào)使光斑和顯示器X軸重合，將顯示器顯示的X方向傾角記為θn1，則各中心轉(zhuǎn)角表示為：θn=60°+(θn1-θn0)。

以上兩種方法交互實(shí)用，即可完成不同傾角和中心轉(zhuǎn)角的測(cè)量。表1為被測(cè)二維轉(zhuǎn)鼓各側(cè)表面傾角的測(cè)量、計(jì)算結(jié)果，表2為各折射面中心轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果。通過(guò)分析測(cè)量結(jié)果可知，該測(cè)量樣件的各相鄰側(cè)表面的中心轉(zhuǎn)角測(cè)量值均符合誤差要求，第1、6側(cè)表面的傾角復(fù)合誤差要求，但是其他各側(cè)表面的傾角測(cè)量值均有超差現(xiàn)象，為不合格件。分析相關(guān)原因，極有可能和二維轉(zhuǎn)鼓超精密飛切時(shí)的分度夾具定位精度或飛切變形等因素有關(guān)，具體原因還需結(jié)合具體加工工藝分析獲得。

圖6 激光測(cè)角儀顯示器的顯示狀態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)X射線衍射儀的三維轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)將探測(cè)器位置改造成激光測(cè)角儀的安裝方式，從而實(shí)現(xiàn)了二維轉(zhuǎn)鼓的基準(zhǔn)標(biāo)定和不同側(cè)表面相對(duì)基準(zhǔn)面的傾角及相鄰側(cè)表面中心夾角的測(cè)量，未準(zhǔn)確反饋加工質(zhì)量的影響因素提供了分析依據(jù)。要保證測(cè)量角度的精度，X射線衍射儀三維轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角分辨率和轉(zhuǎn)角精度以及重復(fù)定位精度都要高于二維轉(zhuǎn)鼓的角度測(cè)量誤差范圍，方能有效實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)鼓加工角度的準(zhǔn)確測(cè)量和質(zhì)量控制。該方法實(shí)現(xiàn)了一次性裝卡二維轉(zhuǎn)鼓即可實(shí)現(xiàn)所有角度測(cè)量的目的，同時(shí)也為在位和固定基準(zhǔn)條件下實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)鼓晶體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)角的統(tǒng)一測(cè)量起到了促進(jìn)作用。

表1 二維轉(zhuǎn)鼓各側(cè)表面的傾角測(cè)量值

表2 二維轉(zhuǎn)鼓各相鄰側(cè)表面的中心轉(zhuǎn)角測(cè)量值