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自准直仪原理及应用

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发表于 2018-5-9 10:54:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
电子自准直仪是一种高精度的角度测量仪器,能够精确地测量角度偏差。它可以应用于许多领域的应用。
应用案例包括:执行机器校准,测量导轨,精密机器,精确的光学组件,光学装置的校准等等。用电子自准直仪测量速度快、容易、准确,成本低。
这种高度灵敏的仪器广泛应用于世界各地的车间、工具室、检验部门和质量控制实验室,它们可测量极微小的角位移、垂直度和平行度等。
以色列Duma Optronics公司提供了一套完整的自动准直仪,可以通过USB端口在电脑上进行显示。我们的双轴数字式自动准直仪结合了最新的CCD技术和光学分析软件。新引进的激光分析自准直仪的专有技术,将自准直原理与光束分析技术相结合,提供了同时测量激光光束方向和与自准直仪光轴的发散的能力。
自准直仪原理
1中显示了自动准直的基本原理图。
该系统有一个光源,其次是投影分划板。光源是LED(通常是670 nm,最近介绍了IR版本)。在穿过光束分束器后,光线进入目标透镜,在离开仪器之前,它被准直。准直是指投影的掩模距离物镜表面在焦距长度上。
投射的准直光通过镜面反射或其他高质量的反射面反射回来,并被物镜所捕获。返回的图像收集在高质量的CCD探测器上。由于探测器高度敏感,即使非常微弱的反射也会被捕捉并显示出来。镜像的偏移量A在原来的视线范围内造成的偏差为2A。假设反射面的偏差量由FL表示,那么反射镜的偏差将由关系决定:
A=X/2FL
从方程可以看出,测量镜面的角度偏差与仪器与反射面之间的距离无关。

1
方位和仰角的偏差可以由计算机通过电子方式确定和计算。此外,其结果也明显地显示在屏幕上。分辨率可做到低于0.01弧秒。根据经验法则:FL越高,分辨率越高。因此,视场较小,因此更难获得反射信号的采集。 电子方法提供了在数据记录中完全客观的优势,以及与光学自动准直器不一样的计算机接口,后者更加笨重,不准确。
在望远镜的应用中,望远镜被校准到无穷大,运动的角度是a =X/FL。为了准确地交付和生产复杂的光学系统,需要一种精心设计的对联方法,完成并更新现有的方法。因此,我们设计并升级了电子自准直器的性能,并将其与光学不变性的创新机械操作相结合,如横向传输中空潜望镜,以极大地改善和扩展了内部对准过程。
光学系统的内部校准应用
传感器技术的进步为一种新的测量仪器打开了一扇门,它是基于自准直原理,结合了激光束准直和方向测量,精确的望远镜测量,聚焦技术和复杂的软件和计算技术。
激光分析自准直仪
特别感兴趣的是激光分析自准直仪,因为它将激光分析技术与角反射技术相结合。所提出的技术允许将对准自准直仪的数据与输入的激光束信息相结合,从而提高整体性能和可能的应用。
激光光束偏转与自准直器中心相比较,使激光和光学元件与机械基准面进行复杂的对准。由于上述特点,该装置可能用于将激光束对准其镜面,以及激光腔和激光棒的对准。此外,在高性能应用中,特别是在汽车工业的高功率CO2激光系统中,对更高精度的需求增加了这些激光器的使用。
随着机械对准精度的提高和更高的功率水平的实现,光学校准是必不可少的。自动准直器装置由两种装置组成,融合成一个单元;一种是电子自准直仪,另一种是激光束分析系统。这个结合了一些额外的光学。在激光和光学器件的对准和角度分析中非常有用。
为了提高性能,设计了一种新型的自准直仪,它采用内置的激光束分析方法,用于分析输入的准直光束,用于测量自准直仪的中心的散度和入射角。此外,通过内置的聚焦旋钮,可以实现机械系统的精确中心位置。

2
2描述了一种自准直器与一种能够用于激光束分析的CCD传感器融合在一起,它的光圈接受镜面反射和入射激光束。该软件和一个特殊的过滤器滑块允许同时检查自准直器和进来的激光束之间的相对角度偏差。这种专有技术支持各种排列。为了消除视差的影响,开发了一种专用设备LOD
Lateral Offset Device (LOD)
侧向偏移装置的独特之处在于,它可以在几乎连续的距离上消除几行视线之间的视差。LOD(3)说明了两种旋转支架垂直安装在一起,以及一个固定在顶部旋转支架上的空心潜望镜。垂直安装的旋转支架的目的是引导潜望镜安装在顶部旋转支架上。通过这样做,将入射光束射入潜望镜的距离和它的输出方向是被控制的。
由于上述特性,所提出的装置在两种平行的瞄准线或激光束之间,以及相对于其他光学器件的机械基准面的比对,都有潜在的可用性。单片空心潜望镜是基于两个平行的反射镜,中间有一个给定的距离。旋转支架最好安装在一个机械装置上,作为一个光学工作台。
为了进一步了解系统间比对的复杂性,本文将介绍几种应用的特点,即:高功率CO2激光腔的对准、光束传送系统的测试精度以及对机械加工的滚轮的平行度测试。
结合激光分析仪自动准直器和一个LOD为许多应用带来了更好的解决方案。

Figure 3: Lateral offset device
高功率二氧化碳激光腔对准
对于在高功率CO2激光器的应用,其中有几个管与一个谐振器一起工作,并且激光束是使用折叠式镜子。典型的输出是600 W /米的空腔长度,总激光束输出可达6千瓦。通过沿激光腔的几条管道,延伸激光腔的长度;利用镜子将腔体折叠起来,可以制造出相对紧凑的CO2激光器。
使用6(10个旋转镜)的商用二氧化碳激光器可以获得高功率输出。下图描述了CO2激光器的工作原理和典型的折叠配置;3D折叠配置也可以使用。

Figure 4: Axial Flow CO2 laser
4显示了在总体尺寸最小化情况下,实现扩展活动长度的首选方法。光学腔被折叠一次,利用两个等离子管并排放置。这是一个相对简单的结构,同样的原理适用于更复杂的腔管。
光学腔的正确排列是至关重要的,特别是如果堆叠起来。激光束和腔轴应完全重合。激光光束完全符合腔体的基本(纵向)空间模式,而不是高阶(离轴)的空间模式,这是至关重要的。激光束与空腔之间的横向位移或角不匹配会对总光束功率及其模态产生不利影响。通过实施严格的校准程序,这些效果可以最小化。此外,在激光更换时,对准机械数据可以提高生产重复性和停机成本。主要的对齐目标如下:
u  激光管之间的机械对准
u  折叠镜的对准
u  指向可见激光和空腔镜的对准
以下三维实体图(5)显示了必要的布局。
我们先将自准直仪对准机械基准面,通过使用LODpanroll特性将其视线定向到反射基准面。接下来,通过在激光管上安装的v块,我们使管子与其他的和机械的数据平行。这是由LOD装置进一步实现的,将自动准直器的视线移到安装在二氧化碳管顶部的反射元件上,并相应地调整管道。外部激光也可以调整到相同的视线,并通过第一个激光管向折叠镜投射,从而调整折叠镜,直到到达和返回的光束达到完美的平行。

Figure 5: 使用激光分析自准直仪校准CO2激光腔
激光传输系统
工业激光切割机有不同的配置:移动材料、混合动力和飞行光学系统。这些指的是激光束被移动到被切割或加工的材料上的方式。对于所有这些,运动的轴通常被指定为X轴和Y轴。如果切割头可以被控制,它被指定为Zaxis。飞行光学仪器必须使用某种方法来考虑变化的光束。常用的控制方法包括准直法、自适应光学法或恒束长度轴的使用。
所有飞行光学系统的特点是激光是静止的,而光束经过长路径后由镜子传送。
五、六轴机器也允许切割成形工件。此外,还有各种方法将激光束定向到一个形状的工件上,保持适当的焦距和喷嘴的平衡。
在飞行光学机器上,相对于工作表的波束方向的微小变化会导致由于激光的长径而产生较大的位置偏差。换句话说,偏差(D)与角偏差(A)与总路径移动(T)成正比。
D = (A) x (T)
- D是偏差,
-A是角度偏差,
-T是总路径旅行。
因此,研究工作台上的波束角变化是一项非常重要的特性,也是飞行光学方法对材料加工精度的关键。
如图6所示,在不同的配置中使用相同的基本仪器,我们在使用LOD和自准直仪的激光分析特性的情况下,对光束方向进行采样。

Figure 6: Examining beam angles on a working table
经过检查,聚焦激光束将精确地打中材料。激光束沿着零件轮廓熔化或焊接。
机械平行滚轴的调整
纸张、塑料薄膜、报纸、宽床打印机、金箔和金属板等材料通常都是在长有多个平行辊筒的机器上生产的。这些滚轴通常安装在精确的轴承上,并且相互平行,对滚轮的平行度有一个重要的校准要求。平行滚轮在经过加工路径时防止加工材料的扭曲。当机器处理材料时,通常不可能测量辊筒的平行度。
许多公司需要检查并行性,并作为预防性维护程序。在完成测量时,如果需要,可以进行滚轮调整。另外,也可以根据制造商的规格来更换或检修辊筒。
一种新的现场测量方法如下图(7)所示,通过将参考镜附加到滚轴的终点,如图所示。通过反射镜可以观察到镜面的旋转;射的光束画出一个完美的圆,圆心与滚轴的轴方向一致。通过使用可调的LOD,可以将自动准直器的视线从一个滚轮移到另一个滚轮上。当滚轮的端部产生的所有圆都有相同的中心时,就可以实现完美的对齐。
此外,如果滚轮产生的圆不完美或不稳定,这很容易被自动准直器和LOD发现。辊筒对准是机器操作的重要组成部分;未校准的设备会有一种趋势,在过程中偏离路线和偏离校准。为了避免这些问题,测量和维护是至关重要的。

Figure 7: In-situ measurement of rollers misalignment
基于这些原则的自动测量可以在转换机器的关键阶段(例如,在打印之前)提供web指导系统。

Figure 8: Sample screen showing the rollers misalignment
跟踪圆的中心(8)正好位于一个滚轮的旋转中心。当所有的反射追踪中心都有相同的中心时,滚轴平行度的完美对齐。

其他应用测量机器零件的直线度
机器零件的直线度,如导轨,或机器零件的直线运动,可以用自动准直仪和底座镜检查。基础镜沿导路一步一步地移动,这是要测量的。当镜面底座倾斜时,由于滑道直线度不够,倾斜角度将由自动准直器测量。用这个角a和已知的底长度b,高度差的差值,可以计算出:
Figure 11 - Alignment of Hollow Articulated Arm.png (33.59 KB, 下载次数: 6)

figure 10.png (42.71 KB, 下载次数: 5)

AlignMeter Head.png (45.21 KB, 下载次数: 9)

新型准直仪原理.png (61.63 KB, 下载次数: 10)



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