CN114858096B - 一种水平光路传递测角仪及测量方法 - Google Patents

一种水平光路传递测角仪及测量方法 Download PDF

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CN114858096B CN202210560496.2A CN202210560496A CN114858096B CN 114858096 B CN114858096 B CN 114858096B CN 202210560496 A CN202210560496 A CN 202210560496A CN 114858096 B CN114858096 B CN 114858096B
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Abstract

本发明涉及一种水平光路传递测角仪及测量方法，属于光学检测领域。位姿调节模块放置于工作台一侧，测量模块通过螺钉固定于工作台上，光束转向模块通过螺钉固定于直线导轨上，测量模块、反射镜模块和光束转向模块处于同一水平直线上，反射镜模块放置于测量模块与光束转向模块之间。本发明优点是将被测件上的被测面的角度经过传递转换为位移，可用于检测超出常规量程范围的被测面方位角，测量精度达到角秒量级，可实现被测面的全口径、大量程、高精度测量，同时整个测量过程具有快捷高效、高度自动化的特点。

Description

一种水平光路传递测角仪及测量方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体的涉及一种水平光路传递测角仪及测量方法，用于检测超出常规量程范围的偏转角。
背景技术
随着各行业对于角度测量精度要求的日益提高，尤其在精度和效率方面，传统的角度测量装置难以满足企业的需求，因此具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点的光学测角法得到了快速的发展,而倍受人们的重视。数字式自准直仪是一种利用光的自准直原理测量平直度的仪器。因其安装方便、精度高、系统响应快等优点而广泛地用于小角度测量、高精度角度标校、导轨的平直度、精密平台的平面度、转台位置不确定度等测量领域。
目前，高精度角度测量技术多为国外所掌握，国内在此方面，无论是性能还是测量精度均有所差距。在现有的测角仪设备中，其角度测量技术主要为机械角度测量设备、电磁角度测量设备与光电角度测量设备。其中，机械测量方法的代表是多齿分度盘，而电磁角测量技术的代表则是圆形磁栅测量技术，光电角度测量设备大多基于自准直仪，但是这些方法大多是通过人工操作，使得测量效率慢，不能很好的实现快速且高精准的数据测量，不利于日后的发展，而自准直仪经过多次光棱镜的半透半反作用，会产生较多的光能量损失，这对检测装置的感光灵敏度提出更高要求。因此需要一种测量过程快捷高效，且具有高精度，大量程优点的测量设备。
发明内容
本发明提供一种水平光路传递测角仪及测量方法，通过数字式自准直仪发出的激光使得被测面的俯仰角与偏摆角变化经过传递转变为光斑的位移变化。
本发明采取的技术方案是，包括位姿调节模块、工作台、测量控制器、直线导轨、光束转向模块、反射镜模块和测量模块，其中工作台用于承载直线导轨、光束转向模块、反射镜模块、测量模块和测量控制器，位姿调节模块放置于工作台一侧，测量模块通过螺钉固定于工作台上，光束转向模块通过螺钉固定于直线导轨上，测量模块、反射镜模块和光束转向模块处于同一水平直线上，反射镜模块放置于测量模块与光束转向模块之间。
所述位姿调节模块包括底座、手动升降台、Z向转动台、X-Y向位移台、X-Y向弧摆台和载物台，其中载物台通过螺钉固定于所述X-Y向弧摆台的输出端，X-Y向弧摆台通过螺钉固定于所述X-Y向位移台的输出端上，X-Y向位移台通过螺钉固定于所述Z向转动台的输出端，Z向转动台通过螺钉固定于所述手动升降台的输出端上，所述手动升降台通过螺钉固定于底座上。
所述X-Y向弧摆台的结构是X向弧摆台固定连接在Y向弧摆台上方，所述X-Y向位移台的结构是X向位移台固定连接在Y向位移台上方。
所述手动升降台包括导向连接板一、导向连接板二、导向连接板三、导向连接板四、可调节支撑柱、丝母、丝杠和丝杠驱动器，其中可调节支撑柱共八根，导向连接板一、导向连接板三与四根可调节支撑柱构成输出端，导向连接板二、导向连接板四与四根可调节支撑柱构成固定端，丝母、丝杠、丝杠驱动器构成驱动源，丝杠驱动器固定于导向连接板四上，丝杠下端与丝杠驱动器固定连接，丝母固定于所述导向连接板三上，可通过调节丝母在丝杠上的位置，带动输出端沿Z轴方向运动。
所述光束转向模块包括五棱镜、可变光阑和五棱镜固定架，其中五棱镜放置于五棱镜固定架内，可变光阑位于五棱镜的光线入射端并通过螺钉固定于五棱镜固定架上，五棱镜固定架通过螺钉固定于直线导轨，并在直线导轨的带动下沿X轴滑动。
所述的反射镜模块包括光学反射镜、U形俯仰转台、底座、反射镜转动台和反射镜固定架，其中光学反射镜通过反射镜固定架固定于U形俯仰转台的输出端上，U形俯仰转台通过螺钉固定于反射镜转动台的输出端上，反射镜转动台通过螺钉固定于底座上。
所述U型俯仰转台包括内框架、外框架和调节器，其中外框架作为固定端，内框架作为输出端，调节器与外框架固定连接，内框架与调节器输出端固定连接，调节器输出端与外框架转动连接，调节器用于使内框架旋转。
所述反射镜固定架具有合页结构，包括第一合页片与第二合页片，光学反射镜装夹于第一合页，第二合页片具有与镜片同等大小的通孔并通过螺钉固定于U形俯仰转台的输出端，第一合页片与第二合页片通过铰链连接。
所述测量模块包括剪式升降台、数字式自准直仪和自准直仪固定架，其中剪式升降台共两个，重叠放置，用于调整数字式自准直仪的高度，所述数字式自准直仪通过所述自准直仪固定架固定于剪式升降台上。
一种基于上述装置的水平光路传递测角仪测量方法，包括下列步骤：
步骤一、校准：将被测件放置于位姿调节模块的载物台上，将反射镜模块调整至“校准”模式，打开数字式自准直仪，由数字式自准直仪发出的光线在反射镜模块上的光学反射镜处反射，通过测量模块的剪式升降台调节数字式自准直仪的高度，通过反射镜模块的U形俯仰转台和反射镜转动台调节光学反射镜的角度，使数字式自准直仪发出的出射光线与反射光线重合，此时光线达到水平状态，完成校准；
步骤二、测量：将反射镜模块调整至“测量”模式，数字式自准直仪发出的光线穿过第二合页片上的孔洞，在光束转向模块的可变光阑处调节出光量并射入五棱镜的入射口，经过五棱镜的折射，从五棱镜的出射口射出，光线在被测件的被测面上反射，将被测面的俯仰角与偏摆角转化为反射光线的反射角，反射光线原路返回，经过五棱镜的折射后，光线被测量模块接收，形成与数字式自准直仪所射出的光线具有一定距离的光斑并通过测量控制器显示出来，从而将方位角变化为位移变化；
数字式自准直仪所射出的光线在经过五棱镜折射与被测件上被测面的反射过程中的光线向量变化通过以下方式推算：
(1)在被测面的俯仰角α与偏摆角β均为零且不考虑五棱镜和位姿调节模块制造误差的理想情况下，光线经过五棱镜折射与被测面反射后，数字式自准直仪所接受的光斑应该与数字式自准直仪的出射光线重合，当被测面具有一定的俯仰角α与偏摆角β时，入射光线与出射光线形成一定角度，且数字式自准直仪接受到的光斑出现偏移；
(2)在被测件处建立三维坐标系，原点O为光线在被测件的被测面上的反射点，假设光线向量在XZ面上的投影与X轴所成夹角为α，在XY面上的投影与X轴所成的夹角为β，忽略光线折反射过程中的距离因素，只考虑光线在折反射过程中的方向变化，设数字式自准直仪射出的光线向量写为：
Figure BDA0003653167130000031
经过五棱镜的折射与被测面的反射后的光线向量写为：/>
Figure BDA0003653167130000032
其中a′、b′、c′分别为光线向量在X、Y、Z方向上的坐标；
(3)光线第一次在五棱镜折射的向量变化可以表示为：
Figure BDA0003653167130000033
其中
Figure BDA0003653167130000034
为第一次通过五棱镜后的出射光线的光线向量，/>
Figure BDA0003653167130000035
为第一次通过五棱镜后的入射光的光线向量，Q1为五棱镜的作用矩阵，表示为：/>
Figure BDA0003653167130000036
光线在被测面反射的向量变化可以表示为：
Figure BDA0003653167130000041
光线在第一次穿过五棱镜后在被测件的被测面上反射，其中
Figure BDA0003653167130000042
为第一次通过五棱镜后的出射光线，/>
Figure BDA0003653167130000043
为经过被测件反射后的出射光的光线向量，Sx与Sz为由定坐标转化为动坐标的转换矩阵，表示为：
Figure BDA0003653167130000044
Rn为被测面的作用矩阵，表示为
Figure BDA0003653167130000045
(4)光线第二次在五棱镜折射的光线向量变化可以表示为：
Figure BDA0003653167130000046
光线在被测件反射后，第二次在五棱镜处折射，其中
Figure BDA0003653167130000047
为第二次经过五棱镜折射后的出射光线，/>
Figure BDA0003653167130000048
为经过被测件反射后的出射光的光线向量，Q2为第二次经过五棱镜时五棱镜的作用矩阵，以表示为：
Figure BDA0003653167130000049
因此，数字式自准直仪出射光的光线向量与经过五棱镜的折射和被测面的反射后射入数字式自准直仪的入射光光线向量可以表示为：
Figure BDA00036531671300000410
被测面的俯仰角α与偏摆角β可通过测量控制器直接读取，因此当入射光的光线向量确定，也将在测量控制器上观察到唯一的光斑；
同时，被测件上被测面的角度数据：俯仰角α与偏摆角β与经过五棱镜和被测面的反射后的光线向量存在以下关系：
tanα＝a′/b′
tanβ＝c′/b′
即
α＝arctan(a′/b′)
β＝arctan(c′/b′)
步骤三、重复测量：通过调整位姿调节模块改变光线在被测件上的反射点位置，对被测件的被测面上随机多个点位的俯仰角α与偏摆角β进行测量，通过测量控制器读取各个点位的俯仰角α与偏摆角β，取平均值，完成被测件表面的角度测量。
本发明的优点：
(1)水平光路传递测角仪的角度测量系统基于光学测角法中的自准直原理，该系统分为测量模式与校准模式，在校准模式下调整自准直仪光轴与被测件轴线处于同一高度，在测量模式下将被测面的角度变化经过传递转换为位移变化，实现被测面方位角在水平和垂直方向角度的高精度测量。
(2)水平光路传递测角仪设计了一种光线转向模块，使用五棱镜组件实现光线的转向，并通过直线导轨带动五棱镜组件运动，在五棱镜组件与数字式自准直仪之间加上可变光阑，可以起到聚光，驱除光路系统中杂散光的作用，以此来提高光能的利用率，避免光能量损失过大对装置精确度的影响，同时设计了一种六维调整支座，用于承载被测件，并让被测件在六个自由度方向上调整，实现多点位的快速测量。
(3)水平光路传递测角仪使用数字式自准直仪，主要用于对被测件方位角的测量，使测量精度可以达到角秒量级，通过六维调整支座和直线导轨，可实现被测件的全口径、大量程的高精度测量、整个测量过程具有快捷高效、高度自动化的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明位姿调节模块的结构示意图；
图3是本发明X-Y向弧摆台的结构示意图；
图4是本发明X-Y向位移台的结构示意图；
图5是本发明手动升降台的结构示意图；
图6是本发明光束转向模块的结构示意图；
图7是本发明反射镜模块“校准”模式示意图；
图8是本发明U形俯仰转台的结构示意图；
图9是本发明反射镜模块“测量”模式示意图；
图10是本发明反射镜固定架的结构示意图；
图11是本发明测量模块的结构示意图；
图12是本发明一种水平光路传递测角仪“校准”模式光路图；
图13是本发明一种水平光路传递测角仪“测量”模式光路图；
图14是本发明五棱镜出射光光线向量示意图。
具体实施方式
如图1所示，包括位姿调节模块1、工作台2、测量控制器3、直线导轨4、光束转向模块5、反射镜模块6和测量模块7，其中工作台2用于承载直线导轨4、光束转向模块5、反射镜模块6、测量模块7和测量控制器3，位姿调节模块1放置于工作台2一侧，测量模块7通过螺钉固定于工作台2上，测量控制器3用于控制直线导轨4运动与控制测量模块7发出光线，光束转向模块5通过螺钉固定于直线导轨4上，测量模块7、反射镜模块6和光束转向模块5处于同一水平直线上，反射镜模块6放置于测量模块7与光束转向模块5之间，反射镜模块6用于对光线进行校准，在完成校准后，将被测件放置于位姿调节模块1的载物台1-6上，由测量模块7发出的光线穿过反射镜模块6，在所述光线转向模块5发生折射，随后在被测件上反射，将被测面的方位角变化转化为反射角，沿原路返回，最后被测量模块7接收。
如图2所示，所述位姿调节模块1包括底座1-1、手动升降台1-2、Z向转动台1-3、X-Y向位移台1-4、X-Y向弧摆台1-5和载物台1-6，其中载物台1-6通过螺钉固定于所述X-Y向弧摆台1-5的输出端，X-Y向弧摆台1-5通过螺钉固定于所述X-Y向位移台1-4的输出端上，X-Y向位移台1-4通过螺钉固定于所述Z向转动台1-3的输出端，Z向转动台1-3通过螺钉固定于所述手动升降台1-2的输出端上，所述手动升降台1-2通过螺钉固定于底座1-1上，通过手动升降台1-2、X-Y向位移台1-4、X-Y向弧摆台1-5、Z向转动台1-3的配合，实现被测件在空间中的六自由度运动。
如图3所示，所述X-Y向弧摆台1-5的结构是X向弧摆台1-5-1固定连接在Y向弧摆台1-5-2上方。
如图4所示，所述X-Y向位移台1-4的结构是X向位移台1-4-1固定连接在Y向位移台1-4-2上方。
如图5所示，所述手动升降台1-2包括导向连接板一1-2-1、导向连接板二1-2-3、导向连接板三1-2-6、导向连接板四1-2-8、可调节支撑柱1-2-2、丝母1-2-5、丝杠1-2-4和丝杠驱动器1-2-7，其中可调节支撑柱1-2-2共八根，导向连接板一1-2-1、导向连接板三1-2-3与四根可调节支撑柱1-2-2构成输出端，导向连接板二1-2-6、导向连接板四1-2-8与四根可调节支撑柱1-2-2构成固定端，丝母1-2-5、丝杠1-2-4、丝杠驱动器1-2-7构成驱动源，丝杠驱动器1-2-7固定于导向连接板四1-2-8上，丝杠1-2-4下端与丝杠驱动器1-2-7固定连接，丝母1-2-5固定于所述导向连接板三1-2-3上，可通过调节丝母1-2-5在丝杠1-2-4上的位置，带动输出端沿Z轴方向运动。
如图6所示，所述光束转向模块5包括五棱镜5-1、可变光阑5-2和五棱镜固定架5-3，其中五棱镜5-1放置于五棱镜固定架5-3内，用于将来自测量模块7的光线折射到位姿调节模块1处，可变光阑5-2位于五棱镜5-1的光线入射端并通过螺钉固定于五棱镜固定架5-3上，用于聚光并驱除光路系统中杂散光，五棱镜固定架5-3通过螺钉固定于直线导轨4，并在直线导轨4的带动下沿X轴滑动。
如图7与图12所示，所述的反射镜模块6包括光学反射镜6-1、U形俯仰转台6-2、底座6-3、反射镜转动台6-4和反射镜固定架6-5，所述反射镜模块6可分为“校准”模式与“测量”模式，分别用于实现光线的校准与测量，其中光学反射镜6-1通过反射镜固定架6-5固定于U形俯仰转台6-2的输出端上，U形俯仰转台6-2通过螺钉固定于反射镜转动台6-4的输出端上，反射镜转动台6-4通过螺钉固定于底座6-3上，U形俯仰转台6-2与反射镜转动台6-4主要用于调节光学反射镜6-1的俯仰角度与航向角度，“校准”模式主要用于在测量开始之前将光线调整为水平状态，在“校准”模式下，由测量模块7发出的光线在所述光学反射镜6-1处反射回到测量模块7，根据反射光线生成的光斑位置调整测量模块7高度，使得光线垂直于光学反射镜6-1进而达到水平状态。
如图8所示，所述U型俯仰转台6-2包括内框架6-2-1、外框架6-2-2和调节器6-2-3，其中外框架6-2-2作为固定端，内框架6-2-1作为输出端，调节器6-2-3与外框架6-2-2固定连接，内框架6-2-1与调节器6-2-3输出端固定连接，调节器6-2-3输出端与外框架6-2-2转动连接，调节器6-2-3用于使内框架6-2-1旋转。
如图9与图13所示，在完成校准后，将平面镜模块6调整为“测量”模式，此时由测量模块7发出的光线会穿过光学反射镜固定架5-3并在光束转向模块5处发生折射，在被测模块7处反射并原路返回，完成测量。
如图10所示，所述反射镜固定架6-5具有合页结构，包括第一合页片6-5-1与第二合页片6-5-2，光学反射镜6-1装夹于第一合页片6-5-1，第二合页片6-5-2具有与镜片同等大小的通孔并通过螺钉固定于U形俯仰转台6-2的输出端，第一合页片6-5-1与第二合页片6-5-2通过铰链连接。
如图11所示，所述测量模块7包括剪式升降台7-1、数字式自准直仪7-3和自准直仪固定架7-2，其中剪式升降台7-1共两个，重叠放置，用于调整数字式自准直仪7-3的高度，所述数字式自准直仪7-3通过所述自准直仪固定架7-2固定于剪式升降台7-1上。
一种基于上述装置的水平光路传递测角仪测量方法，包括下列步骤：
步骤一、校准：将被测件1-7放置于位姿调节模块1的载物台1-6上，将反射镜模块6调整至“校准”模式，打开数字式自准直仪7-3，由数字式自准直仪7-3发出的光线在反射镜模块6上的光学反射镜6-1处反射，通过测量模块7的剪式升降台7-1调节数字式自准直仪7-3的高度，通过反射镜模块6的U形俯仰转台6-2和反射镜转动台6-4调节光学反射镜6-1的角度，使数字式自准直仪7-3发出的出射光线与反射光线重合，此时光线达到水平状态，完成校准；
步骤二、测量：将反射镜模块6调整至“测量”模式，数字式自准直仪7-3发出的光线穿过第二合页片6-5-2上的孔洞，在光束转向模块5的可变光阑5-2处调节出光量并射入五棱镜5-1的入射口，经过五棱镜5-1的折射，从五棱镜5-1的出射口射出，光线在被测件1-7的被测面上反射，将被测面的俯仰角与偏摆角转化为反射光线的反射角，反射光线原路返回，经过五棱镜5-1的折射后，光线被测量模块7接收，形成与数字式自准直仪7-3所射出的光线具有一定距离的光斑并通过测量控制器3显示出来，从而将方位角变化为位移变化；
数字式自准直仪7-3所射出的光线在经过五棱镜5-1折射与被测件1-7上被测面的反射过程中的光线向量变化通过以下方式推算：
(1)在被测面的俯仰角α与偏摆角β均为零且不考虑五棱镜和位姿调节模块制造误差的理想情况下，光线经过五棱镜5-1折射与被测面反射后，数字式自准直仪7-3所接受的光斑应该与数字式自准直仪7-3的出射光线重合，当被测面具有一定的俯仰角α与偏摆角β时，入射光线与出射光线形成一定角度，且数字式自准直仪7-3接受到的光斑出现偏移；
(2)在被测件1-7处建立三维坐标系，原点O为光线在被测件1-7的被测面上的反射点，坐标系X、Y、Z轴的方向如图14所示，假设光线向量在XZ面上的投影与X轴所成夹角为α，在XY面上的投影与X轴所成的夹角为β，忽略光线折反射过程中的距离因素，只考虑光线在折反射过程中的方向变化，设数字式自准直仪7-3射出的光线向量写为
Figure BDA0003653167130000081
经过五棱镜5-1的折射与被测面的反射后的光线向量写为/>
Figure BDA0003653167130000082
其中a′、b′、c′分别为光线向量在X、Y、Z方向上的坐标；
(3)光线第一次在五棱镜5-1折射的向量变化可以表示为：
Figure BDA0003653167130000091
其中
Figure BDA0003653167130000092
为第一次通过五棱镜5-1后的出射光线的光线向量，/>
Figure BDA0003653167130000093
为第一次通过五棱镜5-1后的入射光的光线向量，Q1为五棱镜5-1的作用矩阵，表示为：/>
Figure BDA0003653167130000094
光线在被测面反射的向量变化可以表示为：
Figure BDA0003653167130000095
光线在第一次穿过五棱镜5-1后在被测件1-7的被测面上反射，其中
Figure BDA0003653167130000096
为第一次通过五棱镜5-1后的出射光线，/>
Figure BDA0003653167130000097
为经过被测件1-7反射后的出射光的光线向量，Sx与Sz为由定坐标转化为动坐标的转换矩阵，表示为：
Figure BDA0003653167130000098
Rn为被测面的作用矩阵，表示为
Figure BDA0003653167130000099
(4)光线第二次在五棱镜5-1折射的光线向量变化可以表示为：
Figure BDA00036531671300000910
光线在被测件1-7反射后，第二次在五棱镜5-1处折射，其中
Figure BDA00036531671300000911
为第二次经过五棱镜5-1折射后的出射光线，/>
Figure BDA00036531671300000912
为经过被测件1-7反射后的出射光的光线向量，Q2为第二次经过五棱镜5-1时五棱镜5-1的作用矩阵，以表示为：
Figure BDA00036531671300000913
因此，数字式自准直仪7-3出射光的光线向量与经过五棱镜5-1的折射和被测面的反射后射入数字式自准直仪7-3的入射光光线向量可以表示为：
Figure BDA00036531671300000914
被测面的俯仰角α与偏摆角β可通过测量控制器3直接读取，因此当入射光的光线向量确定，也将在测量控制器3上观察到唯一的光斑；
同时，被测件1-7上被测面的角度数据：俯仰角α与偏摆角β与经过五棱镜5-1和被测面的反射后的光线向量存在以下关系：
tanα＝a′/b′
tanβ＝c′/b′
即
α＝arctan(a′/b′)
β＝arctan(c′/b′)
步骤三、重复测量：通过调整位姿调节模块1改变光线在被测件1-7上的反射点位置，对被测件1-7的被测面上随机多个点位的俯仰角α与偏摆角β进行测量，通过测量控制器3读取各个点位的俯仰角α与偏摆角β，取平均值，完成被测件1-7表面的角度测量。

Claims (7)

1.一种基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述水平光路传递测角仪包括位姿调节模块、工作台、测量控制器、直线导轨、光束转向模块、反射镜模块和测量模块，其中工作台用于承载直线导轨、光束转向模块、反射镜模块、测量模块和测量控制器，位姿调节模块放置于工作台一侧，测量模块通过螺钉固定于工作台上，光束转向模块通过螺钉固定于直线导轨上，测量模块、反射镜模块和光束转向模块处于同一水平直线上，反射镜模块放置于测量模块与光束转向模块之间；
所述的反射镜模块包括光学反射镜、U形俯仰转台、底座、反射镜转动台和反射镜固定架，其中光学反射镜通过反射镜固定架固定于U形俯仰转台的输出端上，U形俯仰转台通过螺钉固定于反射镜转动台的输出端上，反射镜转动台通过螺钉固定于底座上；
所述U形俯仰转台包括内框架、外框架和调节器，其中外框架作为固定端，内框架作为输出端，调节器与外框架固定连接，内框架与调节器输出端固定连接，调节器输出端与外框架转动连接，调节器用于使内框架旋转；
包括下列步骤：
步骤一、校准：将被测件放置于位姿调节模块的载物台上，将反射镜模块调整至“校准”模式，打开数字式自准直仪，由数字式自准直仪发出的光线在反射镜模块上的光学反射镜处反射，通过测量模块的剪式升降台调节数字式自准直仪的高度，通过反射镜模块的U形俯仰转台和反射镜转动台调节光学反射镜的角度，使数字式自准直仪发出的出射光线与反射光线重合，此时光线达到水平状态，完成校准；
步骤二、测量：将反射镜模块调整至“测量”模式，数字式自准直仪发出的光线穿过第二合页片上的孔洞，在光束转向模块的可变光阑处调节出光量并射入五棱镜的入射口，经过五棱镜的折射，从五棱镜的出射口射出，光线在被测件的被测面上反射，将被测面的俯仰角与偏摆角转化为反射光线的反射角，反射光线原路返回，经过五棱镜的折射后，光线被测量模块接收，形成与数字式自准直仪所射出的光线具有一定距离的光斑并通过测量控制器显示出来，从而将方位角变化为位移变化；
数字式自准直仪所射出的光线在经过五棱镜折射与被测件上被测面的反射过程中的光线向量变化通过以下方式推算：
(1)在被测面的俯仰角α与偏摆角β均为零且不考虑五棱镜和位姿调节模块制造误差的理想情况下，光线经过五棱镜折射与被测面反射后，数字式自准直仪所接受的光斑应该与数字式自准直仪的出射光线重合，当被测面具有一定的俯仰角α与偏摆角β时，入射光线与出射光线形成一定角度，且数字式自准直仪接受到的光斑出现偏移；
(2)在被测件处建立三维坐标系，原点O为光线在被测件的被测面上的反射点，假设光线向量在XZ面上的投影与X轴所成夹角为α，在XY面上的投影与X轴所成的夹角为β，忽略光线折反射过程中的距离因素，只考虑光线在折反射过程中的方向变化，设数字式自准直仪射出的光线向量写为：
Figure FDA0004183646380000021
经过五棱镜的折射与被测面的反射后的光线向量写为：/>
Figure FDA0004183646380000022
其中a′、b′、c′分别为光线向量在X、Y、Z方向上的坐标；
(3)光线第一次在五棱镜折射的向量变化可以表示为：
Figure FDA0004183646380000023
/>
其中
Figure FDA00041836463800000214
为第一次通过五棱镜后的出射光线的光线向量，/>
Figure FDA0004183646380000024
为第一次通过五棱镜后的入射光的光线向量，Q1为五棱镜的作用矩阵，表示为：/>
Figure FDA0004183646380000025
光线在被测面反射的向量变化可以表示为：
Figure FDA0004183646380000026
光线在第一次穿过五棱镜后在被测件的被测面上反射，其中
Figure FDA0004183646380000027
为第一次通过五棱镜后的出射光线，/>
Figure FDA0004183646380000028
为经过被测件反射后的出射光的光线向量，Sx与Sz为由定坐标转化为动坐标的转换矩阵，表示为：
Figure FDA0004183646380000029
Rn为被测面的作用矩阵，表示为
Figure FDA00041836463800000210
(4)光线第二次在五棱镜折射的光线向量变化可以表示为：
Figure FDA00041836463800000211
光线在被测件反射后，第二次在五棱镜处折射，其中
Figure FDA00041836463800000212
为第二次经过五棱镜折射后的出射光线，/>
Figure FDA00041836463800000213
为经过被测件反射后的出射光的光线向量，Q2为第二次经过五棱镜时五棱镜的作用矩阵，以表示为：
Figure FDA0004183646380000031
因此，数字式自准直仪出射光的光线向量与经过五棱镜的折射和被测面的反射后射入数字式自准直仪的入射光光线向量可以表示为：
Figure FDA0004183646380000032
被测面的俯仰角α与偏摆角β可通过测量控制器直接读取，因此当入射光的光线向量确定，也将在测量控制器上观察到唯一的光斑；
同时，被测件上被测面的角度数据：俯仰角α与偏摆角β与经过五棱镜和被测面的反射后的光线向量存在以下关系：
tanα＝a′b′
tanβ＝c′b′
即
α＝arctan(a′b′)
β＝arctan(c′b′)
步骤三、重复测量：通过调整位姿调节模块改变光线在被测件上的反射点位置，对被测件的被测面上随机多个点位的俯仰角α与偏摆角β进行测量，通过测量控制器读取各个点位的俯仰角α与偏摆角β，取平均值，完成被测件表面的角度测量。
2.根据权利要求1所述的基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述位姿调节模块包括底座、手动升降台、Z向转动台、X-Y向位移台、X-Y向弧摆台和载物台，其中载物台通过螺钉固定于所述X-Y向弧摆台的输出端，X-Y向弧摆台通过螺钉固定于所述X-Y向位移台的输出端上，X-Y向位移台通过螺钉固定于所述Z向转动台的输出端，Z向转动台通过螺钉固定于所述手动升降台的输出端上，所述手动升降台通过螺钉固定于底座上。
3.根据权利要求2所述的基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述X-Y向弧摆台的结构是X向弧摆台固定连接在Y向弧摆台上方，所述X-Y向位移台的结构是X向位移台固定连接在Y向位移台上方。
4.根据权利要求2所述的基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述手动升降台包括导向连接板一、导向连接板二、导向连接板三、导向连接板四、可调节支撑柱、丝母、丝杠和丝杠驱动器，其中可调节支撑柱共八根，导向连接板一、导向连接板三与四根可调节支撑柱构成输出端，导向连接板二、导向连接板四与四根可调节支撑柱构成固定端，丝母、丝杠、丝杠驱动器构成驱动源，丝杠驱动器固定于导向连接板四上，丝杠下端与丝杠驱动器固定连接，丝母固定于所述导向连接板三上，可通过调节丝母在丝杠上的位置，带动输出端沿Z轴方向运动。
5.根据权利要求1所述的基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述光束转向模块包括五棱镜、可变光阑和五棱镜固定架，其中五棱镜放置于五棱镜固定架内，可变光阑位于五棱镜的光线入射端并通过螺钉固定于五棱镜固定架上，五棱镜固定架通过螺钉固定于直线导轨，并在直线导轨的带动下沿X轴滑动。
6.根据权利要求1所述的基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述反射镜固定架具有合页结构，包括第一合页片与第二合页片，光学反射镜装夹于第一合页，第二合页片具有与镜片同等大小的通孔并通过螺钉固定于U形俯仰转台的输出端，第一合页片与第二合页片通过铰链连接。
7.根据权利要求1所述的基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述测量模块包括剪式升降台、数字式自准直仪和自准直仪固定架，其中剪式升降台共两个，重叠放置，用于调整数字式自准直仪的高度，所述数字式自准直仪通过所述自准直仪固定架固定于剪式升降台上。
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