CN106705852B - 一种精密转台跳动检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种精密转台跳动检测装置及检测方法，属于光学检测技术领域，以实现精密转台轴向、径向跳动量检测。本检测装置利用平行光管、聚焦透镜、五棱镜和高精度标准球体检测精密转台旋转过程的跳动量。由平行光管发射出的平行光束经聚焦透镜聚焦，焦点照射到标准球体表面上，聚焦光束经过标准球体反射，再经过聚焦透镜后到平行光管，并照射到平行光管内的探测器上，根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差来测量精密转台的跳动量。本检测方法无接触、精度高、简单易行，可实现精密转台轴向和径向两个方向的跳动量检测，满足精密转台微小跳动量的检测需求，同时可用于其他轴类跳动量的检测。

Description

一种精密转台跳动检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种精密转台跳动检测装置及检测方法。

背景技术

精密气浮转台在高精度精密仪器设备中有着广泛的应用。气浮转台旋转过程中，其轴系径向、轴向定位精度是衡量转台精密程度的主要指标之一。本发明涉及到的一种精密气浮转台主要应用到微纳结构超微分辨计算机三维成像分析仪中。气浮转台的作用是带动被检测件的连续、稳定旋转或多角度精密定位，以满足射线对被检测件多角度扫描，为图像重建提供足够的投影数据。转台的轴向、径向跳动误差对微纳结构超微分辨计算机三维成像分析仪的成像质量有着重要影响。扫描过程中气浮转台会发生径向跳动、轴向跳动，利用扫描得到的投影数据重建得到的图像会与被扫描件内部真实结构存在一定的差异。为获得高品质的三维重建图像，需要气浮转台在旋转过程中其轴向和径向跳动达到纳米级别。转台旋转过程中，径向、轴向跳动量非常小，常规接触检测方法难以进行高精度测量。为此，提出一种高精度、操作简单快捷的测量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种精密转台跳动检测装置及检测方法，以解决精密气浮转台微小跳动量的问题。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种精密转台跳动检测装置，包括标准球体和光学仪器组件，所述光学仪器组件由聚焦透镜、平行光管组成，所述标准球体、聚焦透镜、平行光管依次间隔设置；所述平行光管用于将入射光线转换成平行光束照射于聚焦透镜上；所述聚焦透镜用于将所述的平行光束聚焦转换成聚焦光束后其焦点照射于标准球体外表面上；所述标准球体作为测量基准，置于缓慢旋转的精密转台上，用于将所述的聚焦光束反射后转换成反射光线再经聚焦透镜照射于平行光管内的探测器上；由反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差来测量精密转台的跳动量。

进一步，还包括设于标准球体与聚焦透镜之间的五棱镜，所述五棱镜用于将聚焦透镜出来的聚焦光束的光路方向改变90度后照射于标准球体外表面上，或用于将标准球体反射出来的反射光线的光路方向改变90度后照射于聚焦透镜上。

进一步，所述光学仪器组件为两套，且相对于标准球体在竖向或横向上互成90度设置，用于同时进行精密转台轴向和径向跳动检测。

进一步，所述标准球体由高反光性材料制成的高精度的金属或非金属球，表面光滑；所述非金属球为玻璃球，所述金属球为不锈钢球。

本发明还提供一种精密转台跳动检测方法，利用上述的检测装置，包括：

S1.轴向跳动检测：

S1-1.将精密转台和光学仪器组件放置在调整台上，并调整精密转台及光学仪器组件的位置，使它们保持水平；再将标准球体固定在精密转台上，并将精密转台均分为n等份，每等份角度为θ＝360°/n；

S1-2.根据聚焦透镜的焦距，调整平行光管与精密转台的相对位置，使入射光线的中心线通过标准球体中心，并且焦点在标准球体的外表面上；

S1-3.使精密转台缓慢旋转，当精密转台每旋转角度θ时，记录下反射光线的中心线在平行光管内的探测器上的位置；

S1-4.根据反射光线的中心线与入射光线的中心线间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度θ的轴向跳动量；

S2.径向跳动检测：

将该光学仪器组件相对于标准球体使入射光线成竖直方向放置，与水平方向成90度后，重复步骤S1-2和步骤S1-3，再根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度的径向跳动量。

进一步，上述步骤S2的替代方案为：

S2-1.将该光学仪器组件在调整台的竖向或横向上移位一定距离，再将五棱镜对准经聚焦透镜发出的聚焦光束；

S2-2.根据聚焦透镜的焦距，调整平行光管、五棱镜与精密转台的相对位置，使入射光线的中心线通过标准球体中心，并且焦点在标准球体的外表面上；

S2-3.使精密转台缓慢旋转，当转台每旋转角度θ时，记录下反射光线的中心线在平行光管内的探测器上的位置；

S2-4.根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度的径向跳动量。

进一步，上述步骤S2的替代方案为：与该光学仪器组件相对于标准球体使入射光线在水平方向互成90度设置另一光学仪器组件，重复步骤S2-2和步骤S2-3，再根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度的径向跳动量，与轴向跳动检测同步。

进一步，可连续采集多周数据，并对多周数据取均值或进行中值滤波处理得到跳动量。

进一步，采用经标定的标准球体，并设标准球体半径为R，聚焦透镜焦距为D，当精密转台旋转到某一位置，此时其跳动量可以根据如下所述公式得到：

轴向跳动量测量，在探测器上，根据测量到的反射光线的中心线距入射光线的中心线之间的距离H_y，及聚焦透镜的焦距D，可得到反射光线的中心线与水平线之间的夹角α_y，即为平行光管检测到的角度偏差，且有如下关系式：

标准球体的中心和其外表面上的反射点之间的连线与水平线之间的夹角为β_y，且与α_y有如下关系：

设精密转台轴向跳动量为δ_y，其满足如下关系式：δ_y＝R sinβ_y；

径向跳动量测量，在探测器上，根据测量到的反射光线的中心线距入射光线的中心线之间的距离H_x，及聚焦透镜的焦距D，可得到反射光线的中心线与水平线之间的夹角α_x，即为平行光管检测到的角度偏差，且有如下关系式：

标准球体的中心和其外表面上的反射点之间的连线与水平线之间的夹角为β_x，且与α_x有如下关系：

设精密转台径向跳动量为δ_x，其满足如下关系式：δ_x＝R sinβ_x。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明检测方法无接触、精度高、简单易行，可实现精密转台轴向和径向两个方向的跳动量检测，满足精密转台微小跳动量的检测需求，同时可用于其他轴类跳动量的检测。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明检测装置级检测方法的一个实施例用作轴向检测示意图；

图2为本发明检测装置级检测方法的另一个实施例用作径向检测示意图；

图3为图1中轴向跳动量测试示意图；

图4为图2中径向跳动量测试示意图；

图5为图3或图4中角度关系图；

附图标记：1为精密转台，2为标准球体，3为聚焦透镜，4为平行光管，5为探测器，6五棱镜。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图下图所示，本发明一种精密转台跳动检测装置，包括标准球体2和光学仪器组件，该光学仪器组件由聚焦透镜3、平行光管4组成，标准球体2、聚焦透镜3、平行光管4依次间隔设置；平行光管4用于将入射光线转换成平行光束照射于聚焦透镜3上；聚焦透镜3用于将平行光束聚焦转换成聚焦光束后其焦点照射于标准球体2外表面上；标准球体2作为测量基准，置于缓慢旋转的精密转台1上，用于将聚焦光束反射后转换成反射光线再经聚焦透镜3照射于平行光管4内的探测器5上；由反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差来测量精密转台1的跳动量。

具体的，本发明的工作原理是：从平行光管4发出的平行光束经聚焦透镜聚焦3，调整平行光管4、聚焦透镜3与标准玻球体2之间的距离，使平行光束经过聚焦透镜3后其焦点打在标准球体2的外表面上，且入射光线的中心线与标准球体2在同一条直线上。若精密转台1没有跳动误差，则标准球体2的中心始终保持不变，聚焦光束的焦点在标准球体2上时，聚焦光束经过标准球体2反射后，反射光线将沿入射光线与中心线对称的路径返回，再经过聚焦透镜3进行折射后，反射光线将与原平行光束平行且对称分布在中心线两侧，反射光线的中心与入射光线的中心重合。在精密转台1旋转过程中，若其存在跳动误差，则标准球体2的中心位置将发生相对偏移，聚焦光束焦点照射到标准球体2上的位置也将发生变化；聚焦光束经过标准球体2反射后，反射光线将不再沿入射光线与中心线对称的路径返回，而经由聚焦透镜3折射后，反射光线将与原平行光束平行但发生一定的偏移，反射光线的中心与入射光线的中心将不再重合。这样，在探测器5上，就可以根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置差来测量精密转台的跳动量。

在另一实施例中，还包括设于标准球体2与聚焦透镜3之间的五棱镜6，所述五棱镜6用于将聚焦透镜3出来的聚焦光束的光路方向改变90度后照射于标准球体2外表面上，或用于将标准球体2反射出来的反射光线的光路方向改变90度后照射于聚焦透镜3上。

在另一实施例中，所述光学仪器组件为两套，且相对于标准球体2在竖向或横向上互成90度设置，用于同时进行精密转台1轴向和径向跳动检测。

本实施例中，所述标准球体2由高反光性材料制成的高精度的金属或非金属球，表面光滑；所述非金属球为玻璃球，所述金属球为不锈钢球。

本发明精密转台跳动量的高精度检测方法包括以下步骤：

S1.轴向跳动检测：

S1-1.将精密转台1和光学仪器组件放置在调整台上，并调整精密转台1及光学仪器组件的位置，使它们保持水平；再将标准球体2固定在精密转台1上，并将精密转台1均分为n等份，每等份角度为θ＝360°/n；如附图1所示；

S1-2.根据聚焦透镜3的焦距，调整平行光管4与精密转台1的相对位置，使入射光线的中心线通过标准球体2中心，并且焦点在标准球体2的外表面上；

S1-3.使精密转台1缓慢旋转，当精密转台1每旋转角度θ时，记录下反射光线的中心线在平行光管4内的探测器5上的位置；

S1-4.根据反射光线的中心线与入射光线的中心线间的位置变化差，计算出精密转台1在不同旋转角度θ的轴向跳动量；重复进行m次，取平均值，得到精密转台1旋转过程中绕中心的轴向跳动量；

S2.径向跳动检测：

在图1的基础上，将该光学仪器组件相对于标准球体2在平面上旋转90°，使其入射光线变为竖直方向，并照射到标准球2上，重复步骤S1-2和步骤S1-3，再根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台1在不同旋转角度的径向跳动量；重复进行m次，取平均值，得到精密转台1旋转过程中绕中心的径向跳动量。

在另一方法中，上述步骤S2的替代方案为：

S2-1.在图1的基础上，将该光学仪器组件使入射光线保持水平向上移位一定距离，再将五棱镜6对准经聚焦透镜3发出的聚焦光束；

S2-2.根据聚焦透镜3的焦距，调整平行光管4、五棱镜6与精密转台1的相对位置，使入射光线的中心线通过标准球体2中心，并且焦点在标准球体2的外表面上；

S2-3.使精密转台1缓慢旋转，当转台每旋转角度θ时，记录下反射光线的中心线在平行光管4内的探测器5上的位置；

S2-4.根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台1在不同旋转角度的径向跳动量；重复进行m次，取平均值，得到精密转台1旋转过程中绕中心的径向跳动量。这样，可提高检测效率。

在另一方法中，上述步骤S2的替代方案为：与该光学仪器组件相对于标准球体2使入射光线在水平方向上互成90度设置另一光学仪器组件，或保持一组光学组件光线入射方向水平，另一组光学组件光线入射方向竖直设置，重复步骤S1-2和步骤S1-3，再根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台1在不同旋转角度的径向跳动量，可与轴向跳动检测同步计算，提高检测速度，避免重复拆装光学仪器组件。

上述方法中，可对采集的多周数据进行中值滤波处理，得到更为有效的检测结果。

上述方法中，采用经标定的标准球体2，设标准球体的半径为R，聚焦透镜3的焦距为D，当精密转台1旋转到某一位置，此时其跳动量可以根据如下所述公式得到：

①轴向跳动量测量

如附图3、图5所示，在探测器(5)上，根据测量到的反射光线的中心线距入射光线的中心线之间的距离H_y，及聚焦透镜的焦距D，可得到反射光线的中心线与水平线之间的夹角α_y，即为平行光管检测到的角度偏差，且有如下关系式：

标准球体的中心和其外表面上的反射点之间的连线与水平线之间的夹角为β_y，且与α_y有如下关系：

设精密转台轴向跳动量为δ_y，其满足如下关系式：δ_y＝R sinβ_y；

②径向跳动量测量

如附图4、图5所示，在探测器(5)上，根据测量到的反射光线的中心线距入射光线的中心线之间的距离H_x，及聚焦透镜的焦距D，可得到反射光线的中心线与水平线之间的夹角α_x，即为平行光管检测到的角度偏差，且有如下关系式：

标准球体的中心和其外表面上的反射点之间的连线与水平线之间的夹角为β_x，且与α_x有如下关系：

设精密转台径向跳动量为δ_x，其满足如下关系式：δ_x＝R sinβ_x

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种精密转台跳动检测装置，其特征在于，包括标准球体(2)和光学仪器组件，所述光学仪器组件由聚焦透镜(3)、平行光管(4)组成，所述标准球体、聚焦透镜、平行光管依次间隔设置；所述平行光管用于将入射光线转换成平行光束照射于聚焦透镜上；所述聚焦透镜用于将所述的平行光束聚焦转换成聚焦光束后其焦点照射于标准球体外表面上；所述标准球体作为测量基准，置于缓慢旋转的精密转台(1)上，用于将所述的聚焦光束反射后转换成反射光线再经聚焦透镜照射于平行光管内的探测器(5)上；由反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差来测量精密转台的跳动量。

2.根据权利要求1所述的一种精密转台跳动检测装置，其特征在于，还包括设于标准球体(2)与聚焦透镜(3)之间的五棱镜(6)，所述五棱镜用于将聚焦透镜(3)出来的聚焦光束的光路方向改变90度后照射于标准球体(2)表面上，及用于将标准球体反射出来的反射光线的光路方向改变90度后照射于聚焦透镜上。

3.根据权利要求1所述的一种精密转台跳动检测装置，其特征在于，所述光学仪器组件为两套，且相对于标准球体(2)使入射光线在水平和竖直方向同一平面内互成90度设置，用于同时进行精密转台(1)轴向和径向跳动检测。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种精密转台跳动检测装置，其特征在于，所述标准球体(2)由高反光性材料制成的高精度的金属或非金属球，表面光滑；所述非金属球为玻璃球，所述金属球为不锈钢球。

5.一种精密转台跳动检测方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的检测装置，包括：

S1.轴向跳动检测：

S1-1.将精密转台(1)和光学仪器组件放置在调整台上，并调整精密转台及光学仪器组件的位置，使它们保持水平；再将标准球体(2)固定在精密转台上，并将精密转台均分为n等份，每等份角度为θ＝360°/n；

S1-2.根据聚焦透镜(3)的焦距，调整平行光管(4)与精密转台的相对位置，使入射光线的中心线通过标准球体中心，并且焦点在标准球体的外表面上；

S1-3.使精密转台缓慢旋转，当精密转台每旋转角度θ时，记录下反射光线的中心线在平行光管内的探测器(5)上的位置；

S1-4.根据反射光线的中心线与入射光线的中心线间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度θ的轴向跳动量；

S2.径向跳动检测：

将该光学仪器组件相对于标准球体(2)使入射光线成竖直方向放置，与水平方向成90度后，重复步骤S1-2和步骤S1-3，再根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度的径向跳动量。

6.根据权利要求5所述的一种精密转台跳动检测方法，其特征在于，其步骤S2的替代方案为：

S2-1.将该光学仪器组件在调整台上入射光线由水平放置时向竖直方向上移位一定距离，再将五棱镜(6)对准经聚焦透镜(3)发出的聚焦光束；

S2-2.根据聚焦透镜的焦距，调整平行光管(4)、五棱镜与精密转台的相对位置，使入射光线的中心线通过标准球体(2)中心，并且焦点在标准球体的外表面上；

S2-3.使精密转台缓慢旋转，当转台每旋转角度θ时，记录下反射光线的中心线在平行光管内的探测器(5)上的位置；

S2-4.根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度的径向跳动量。

7.根据权利要求6所述的一种精密转台跳动检测方法，其特征在于，其步骤S2的替代方案为：与该光学仪器组件相对于标准球体(2)使入射光线在水平方向上互成90度设置另一光学仪器组件，重复步骤S2-2和步骤S2-3，再根据反射光线的中心线与入射光线的中心线之间的位置变化差，计算出精密转台在不同旋转角度的径向跳动量，与轴向跳动检测同步。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种精密转台跳动检测方法，其特征在于，可连续采集多周数据，并对多周数据取均值或进行中值滤波处理得到跳动量。

9.根据权利要求8所述的一种精密转台跳动检测方法，其特征在于，采用经标定的标准球体，并设标准球体半径为R，聚焦透镜焦距为D，当精密转台旋转到某一位置，此时其跳动量可以根据如下所述公式得到；

轴向跳动量测量，在探测器(5)上，根据测量到的反射光线的中心线距入射光线的中心线之间的距离H_y，及聚焦透镜的焦距D，可得到反射光线的中心线与水平线之间的夹角α_y，即为平行光管检测到的角度偏差，且有如下关系式：

标准球体的中心和其外表面上的反射点之间的连线与水平线之间的夹角为β_y，且与α_y有如下关系：

设精密转台轴向跳动量为δ_y，其满足如下关系式：δ_y＝Rsinβ_y；

径向跳动量测量，在探测器(5)上，根据测量到的反射光线的中心线距入射光线的中心线之间的距离H_x，及聚焦透镜的焦距D，可得到反射光线的中心线与水平线之间的夹角α_x，即为平行光管检测到的角度偏差，且有如下关系式：

标准球体的中心和其外表面上的反射点之间的连线与水平线之间的夹角为β_x，且与α_x有如下关系：

设精密转台径向跳动量为δ_x，其满足如下关系式：δ_x＝Rsinβ_x。