CN116105638A - 一种u型转台同轴度检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种U型转台同轴度检测系统及检测方法，属于光电检测领域。该系统包括：光源装置、准直装置、倍率变换装置、U型转台、水平轴光电检测装置和竖直轴光电检测装置；光源装置发射的激光束被准直装置整形为平行光，倍率变换装置对平行光进行倍率变换；水平轴光电检测装置拍摄U型转台内表面的光斑图以检测U形转台俯仰轴的轴孔在水平方向产生的偏离；竖直轴光电检测装置拍摄U型转台内表面的光斑图像以检测U形转台俯仰轴的轴孔在竖直方向产生的偏离；工控机分别与倍率变换装置、水平轴光电检测装置、竖直轴光电检测装置相连。本发明具有可在线调整、测量精度高、效率高、维护成本低、对U型转台体积尺寸要求低、测量结果不受环境温度影响的优点。

Description

一种U型转台同轴度检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，尤其涉及一种U型转台同轴度检测系统及检测方法。

背景技术

两轴转台、三轴转台等高精度惯导测试设备广泛使用U型架结构，两轴U型架一般包含方位和俯仰两个转动轴，俯仰轴两端为轴承安装孔。作为主体承力结构，U型架为搭载的光学设备提供稳定的工作平台，使设备更有效的工作。为满足设备高精度姿态要求，U型架俯仰轴两端轴承孔必须保证相应的同轴度要求。转台轴孔同轴度作为机械零件加工的一项技术指标，它也是转台框架的重要精度指标，其精度直接影响着转台的精度和稳定性。

目前常用的同轴度误差检测方法有两类。一类是接触式测量，能够简便、高效地、直观地检测出转台框架的同轴度。如公开号为CN104132605A的中国专利公开的一种用于转台框架同轴度检测的装置，该装置采用合理的装配机械结构，配合百分表读数式获取转台俯仰轴轴孔的同轴度，设计简洁、紧凑、成本低，易于维护，但人工读数误差和接触式测量对被测件的划伤也成为了该装置不可避免的缺点；另外，如公开号为CN109506555A的中国专利公开的两轴U型架轴承孔同轴度的测量装置和测量方法，该方法采用左、右侧芯轴分别通过胀紧套与被测两轴U型架的左侧、右侧轴承孔无间隙配合，并且左、右侧芯轴的轴向长度大于被测两轴U型架的左、右侧轴承孔的轴向长度，通过百分表在芯轴上打表的方式间接测量数据，通过对比两侧的测量数据，解算同轴度。该方法结构合理，使用方便，虽然采用间接接触测量的方式完成了同轴度的检测，但是也存在人眼读数误差，百分表引入额外误差以及间接接触造成的划伤等问题。另一类是非接触式测量，具有采集信息全、精度高、对被测件无额外损伤等优点。常见的非接触测量方法包括超声波检测法、电涡流检测法和激光传感检测法，其中激光传感检测法如公开号为CN108827192A的中国专利公开的一种采用激光传感器测量同轴度的测量方法。该方法首先通过对标准工件的测量，调整两侧回转激光传感器的同轴度。具体是先调整测量装置，使激光传感器伸入内孔内部，然后通过回转扫描的方式，采集两个内孔表面的点云，通过最小二乘法分别拟合出便准工件两侧的理想轴线，再由标准工件共轴线的特性校准两侧激光传感器测量坐标系的空间位置关系。测量工件时，将采集到的两侧孔有效点云的坐标根据上述坐标系校准关系转至同一坐标系下，然后分别拟合出两孔的理想轴线与公共基准轴线，从而计算出工件的同轴度误差。基于上述原理的同轴度检测方法有着检测精度高、测量方便等优点。但针对复杂U型转台工件或者俯仰轴轴孔尺寸较小的工件，回转扫描机构，受到回转半径的限制，使其难以伸入圆孔内部进行扫描，难以获得内孔的点云数据。

综上，由于转台框架结构的特殊性和较高的精度要求，现有测量方法很难满足检测要求。尽管可达到较好的测量精度，但是其效率低、采样点少且易受环境因素影响。主要存在以下局限性：(1)俯仰轴轴孔的精度对于U形状态来说是非常重要的指标，接触式测量(直接接触/间接接触)，都会对被测件的俯仰轴轴孔产生一定程度的划伤；(2)对于大型高精度惯导测试设备，U型架两端轴承孔跨距超过1.5m甚至更大，而同轴度要求则达到Φ15μm或更低，当前测量装置或者方法在测量范围和精度上都无法满足要求；(3)当前激光传感器由于自身尺寸的限制，无法实现U型转台俯仰轴的较小轴孔的测量；(4)由于测量环境的影响，对环境有较高要求的三坐标测量仪在检测中和检测后，由于温度的变化无法完全真实反应检测数据；(5)转台的框架较多，检测工作量较大，不能满足转台产业化发展的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种U型转台同轴度检测系统及检测方法，以解决现有技术存在的问题。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种U型转台同轴度检测系统，包括：

光源装置，用于发射激光束；

设置在光源装置后端的准直装置，所述准直装置用于将光源装置发射的激光束整形为平行光；

设置在准直装置后端的倍率变换装置，所述倍率变换装置用于接收整形后的平行光并对其进行倍率变换；

设置在倍率变换装置后端的U型转台；

设置在U型转台上方的水平轴光电检测装置，所述水平轴光电检测装置用于拍摄U型转台内表面的光斑图像，用于检测U形转台俯仰轴的轴孔在水平方向产生的偏离；

设置在U型转台侧边的竖直轴光电检测装置，所述竖直轴光电检测装置用于拍摄U型转台内表面的光斑图像，用于检测U形转台俯仰轴的轴孔在竖直方向产生的偏离；

工控机，所述工控机分别与倍率变换装置、水平轴光电检测装置、竖直轴光电检测装置相连。

进一步的，所述倍率变换装置的光轴与激光束的法线重合。

进一步的，所述倍率变换装置由第一焦距自由变换装置、第二焦距自由变换装置和距离补偿装置组成；所述第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置均安装在距离补偿装置上；所述距离补偿装置与工控机相连；所述准直装置、第一焦距自由变换装置、第二焦距自由变换装置依次设置；所述光源装置、准直装置、第一焦距自由变换装置、第二焦距自由变换装置、U型转台的光轴保证同轴状态；通过距离补偿装置带动第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置沿光轴方向移动来调整第一焦距自由变换装置与第二焦距自由变换装置之间的光学间隔。

进一步的，所述距离补偿装置的调节量为变倍前第一焦距自由变换装置的焦距f₁与变倍后第一焦距自由变换装置的焦距f₁ˊ两者的差值，即f₁ˊ-f₁。

进一步的，所述第一焦距自由变换装置的焦距f₁与第二焦距自由变换装置的焦距f₂满足以下关系：

(1)倍率变换装置的光学间隔为L＝f₁+f₂；

(2)倍率变换装置所需倍率为β＝f₂/f₁；

(3)第一焦距自由变换装置的焦距f₁＝L/(1+β)，第二焦距自由变换装置的焦距f₂＝βL/(1+β)。

进一步的，所述第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置均选用液晶空间光调制器、变形镜、数字微镜或变焦光学镜组。

进一步的，所述第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置均采用液晶空间光调制器时，其相位图满足公式(1)：

式中，λ为入射光束的波长，f为焦距自由变换装置的焦距，

为液晶空间光调制器所要生成的面型，x，y分别为坐标值；将第一焦距自由变换装置的焦距f₁和第二焦距自由变换装置的焦距f₂分别带入到公式(1)中获得液晶空间光调制器所要生成的面型。

本发明的一种U型转台同轴度检测方法，采用上述的一种U型转台同轴度检测系统实现；该方法包括以下步骤：

所述光源装置发射的激光束经准直装置整形为平行光，平行光经第一焦距自由变换装置与第二焦距自由变换装置倍率变换后，将平行光口径调整到与U型转台俯仰轴左侧大端轴孔的孔径尺寸相同状态，光束穿过U型转台左侧大端轴孔后入射到U型转台右侧小端轴孔，在理想情况下，光束与U型转台右侧小端轴孔形成同心圆环，当存在偏差时，光束在U型转台右侧小端轴孔处形成偏心圆环状光斑或偏心月牙状光斑；通过水平轴光电检测装置与竖直轴光电检测装置分别采集由于轴孔同轴度偏差所产生的偏心光斑图像；通过工控机驱动距离补偿装置调整第一焦距自由变换装置与第二焦距自由变换装置之间的光学间隔，以满足放大倍率需求；最后通过工控机记录偏心光斑图像的数据并进行处理，得到同轴度偏差关系。

进一步的，所述同轴度偏差关系的具体计算过程如下：

在U型转台右侧小端轴孔处获取相应的拟合圆，在拟合圆的圆心处建立X-Y坐标系；利用水平轴光电检测装置和竖直轴光电检测装置分别记录光束在水平方向和竖直方向的偏心光斑图像信息，获取的图像为偏心圆环状光斑图像或偏心月牙状光斑图像，将偏心圆环状光斑或偏心月牙状光斑所在的圆记为标定圆；采用圆心拟合算法拟合出标定圆的圆心；分析拟合圆的圆心与标定圆的圆心之间的位置关系，得到同轴度偏差关系。

进一步的，所述圆心拟合算法的具体计算过程如下：

采用最小二乘法拟合圆心，根据圆的公式(x-A)²+(y-B)²＝R²得到以下关系式：

R²＝x²-2Ax+A²+y²-2By+B²    (2)

令：

简化后的圆的一般式为：

x²+y²+ax+by+c＝0    (4)

根据公式(4)求解参数a、b、c，得到圆心坐标(A，B)及半径R的参数：

样本集(X_i，Y_i)，i∈1，2，3，...，n中，点到圆心的距离为d_i：

d_i ²＝(X_i-A)²+(Y_i-B)²   (6)

令点到圆心的距离为d_i的平方与半径R的平方的差值为：

将式(7)展开并带入式(4)得到以下关系式：

令F(a，b，c)为Δr_i的平方和得到以下关系式：

求解参数a、b、c使得F(a，b，c)的值最小；令F(a，b，c)对参数a、b、c分别求偏导，令偏导值为0，比较所有极值点的函数值得到F(a，b，c)的最小值为：

将式(10)写成矩阵的形式：

求解矩阵(11)得到参数a、b、c的值，进而得到A、B和R的拟合估计值：

得到的A值和B值分别为U型转台左侧轴孔大端轴孔在U型转台右侧内表面投射的拟合圆的圆心坐标(A，B)，分析圆心(A，B)与原点(0,0)之间的位置关系，得到同轴度偏差量。

本发明的有益效果是：

本发明的一种U型转台同轴度检测系统包括：光源装置、准直装置、倍率变换装置、水平轴光电检测装置、U型转台、竖直轴光电检测装置和工控机；通过各部件之间的相互协同作用可以实现高精度的U型转台同轴度检测，具有可在线调整、测量精度高、效率高、维护成本低、对U型转台体积尺寸要求低、测量结果不受环境温度影响的优点。

附图说明

图1为本发明的一种U型转台同轴度检测系统的结构示意图。

图2为由第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置组成的变焦光学镜组结构示意图。

图3为偏心圆环状光斑下U型转台同轴度偏差分析。

图4为偏心月牙状光斑下U型转台同轴度偏差分析。

图5为具体实施方式一中U型转台同轴度公差检测结果。

图6为具体实施方式一中U型转台同轴度公差检测结果。

图中，1、光源装置，2、准直装置，3、第一焦距自由变换装置，4、第二焦距自由变换装置，5、水平轴光电检测装置，6、U型转台，7、竖直轴光电检测装置，8、工控机，9、倍率变换装置，10、距离补偿装置，11、拟合圆，12、标定圆，13、偏心圆环状光斑，14、偏心月牙状光斑。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种U型转台同轴度检测系统，主要包括：光源装置1、准直装置2、倍率变换装置9、水平轴光电检测装置5、U型转台6、竖直轴光电检测装置7和工控机8。

光源装置1置于系统的最前端，用于发出激光光束，激光输出波长为635±2nm，数值孔径NA≤0.14。

准直装置2置于光源装置1之后，即准直装置2置于光源装置1和倍率变换装置9之间，准直装置2用于对光源装置1发出的激光束进行整形，可整形为具有一定口径的平行光。

倍率变换装置9置于准直装置2之后，即倍率变换装置9置于准直装置2和U型转台6之间，倍率变换装置9用于接收整形后的光束并对其进行倍率变换，倍率变换装置9的光轴与入射光束的法线重合。

倍率变换装置9主要由第一焦距自由变换装置3、第二焦距自由变换装置4和距离补偿装置10组成，第一焦距自由变换装置3和第二焦距自由变换装置4均安装在距离补偿装置10上，并且第一焦距自由变换装置3置于准直装置2之后，第一焦距自由变换装置3置于第二焦距自由变换装置4前端。

其中，距离补偿装置10带动第一焦距自由变换装置3和第二焦距自由变换装置4沿光轴方向进行移动，用于调整第一焦距自由变换装置3与第二焦距自由变换装置4之间的光学间隔L，用于保障合理的缩放倍率，来满足与U型转台6的俯仰轴左侧大端轴孔601的孔径尺寸相同。倍率变换装置9中的第一焦距自由变换装置3与第二焦距自由变换装置4在倍率变换的过程中，除了能够实现焦距变换，还能够起到消除系统像差、保证系统的光束质量的作用。

距离补偿装置10的移动方向与光轴传输方向平行，其调节量为变倍前第一焦距自由变换装置3的焦距f₁与变倍后第一焦距自由变换装置3的焦距f₁ˊ两者的差值，即f₁ˊ-f₁，其中差值为正时，与光传输方向反向调节，远离U型转台6；其中差值为负时，与光传输方向同向调节，接近U型转台6。

本实施方式中，距离补偿装置10可以选用以电机、压电陶瓷等驱动的具有直线位移调整功能的机构，具体可采用压电惯性驱动的直线位移台，其行程为60mm。

第一焦距自由变换装置3和第二焦距自由变换装置4均可以选用液晶空间光调制器、变形镜、数字微镜、变焦光学镜组等器件，这些器件具有变焦且能够补偿离焦像差的作用。其中，由第一焦距自由变换装置3和第二焦距自由变换装置4组成的变焦光学镜组的结构形式主要以伽利略式望远结构为主，还可以是透射式的结构或者反射式的结构。本实施方式中，如图2所示，第一焦距自由变换装置3与第二焦距自由变换装置4分别为负透镜和正透镜，第一焦距自由变换装置3的焦距f₁小于零，第二焦距自由变换装置4的焦距f₂大于零。

当第一焦距自由变换装置3和第二焦距自由变换装置4采用液晶空间光调制器时，其相位图满足公式(1)所示的关系：

其中，λ为入射光束的波长，f为焦距自由变换装置的焦距，

为液晶空间光调制器所要生成的面型，x，y分别为坐标值；将第一焦距自由变换装置3的焦距f₁和第二焦距自由变换装置4的焦距f₂分别带入到公式(1)中，即可获得液晶空间光调制器所要生成的面型。由工控机8根据公式(1)所示的关系，根据第一焦距自由变换装置3的焦距f₁和第二焦距自由变换装置4的焦距f₂的需求，计算出液晶空间光调制器所要生成的面型，并控制液晶空间光调制器产生相应的面，从而实现第一焦距自由变换装置3与第二焦距自由变换装置4的焦距变换。

第一焦距自由变换装置3的焦距f₁与第二焦距自由变换装置4的焦距f₂满足如下的几何关系：

(1)倍率变换装置9的光学间隔为L＝f₁+f₂；

(2)倍率变换装置9所需倍率为β＝f₂/f₁；

(3)第一焦距自由变换装置3的焦距f₁＝L/(1+β)，第二焦距自由变换装置4的焦距f₂＝βL/(1+β)。

倍率变换装置9中的距离补偿装置10、水平轴光电检测装置5、竖直轴光电检测装置7分别与工控机8通过数据线连接，通过工控机8控制距离补偿装置10、水平轴光电检测装置5、竖直轴光电检测装置7工作；其中，U型转台6置于倍率变换装置9之后，水平轴光电检测装置5置于U型转台6上方，竖直轴光电检测装置7置于U型转台6左侧，水平轴光电检测装置5和竖直轴光电检测装置7均用于拍摄光斑图像。具体为：

水平轴光电检测装置5置于U型转台6的上方，按照图1中所示的方向拍摄U型转台6的内表面，用于检测U形转台6俯仰轴的轴孔在水平方向产生的偏离；竖直轴光电检测装置7置于U型转台6的侧方，按照图1所示的方向拍摄U型转台6的内表面，用于检测U形转台6俯仰轴的轴孔在竖直方向产生的偏离。

对于U型转台6的具体摆放位置，遵循以下原则：当U型转台6的俯仰轴的左右两侧轴孔(大端轴孔601和小端轴孔602)孔径大小不同时，较大孔径的轴孔(大端轴孔601)靠近第二焦距自由变换装置4；当U型转台6的俯仰轴的左右两侧轴孔(大端轴孔601和小端轴孔602)孔径大小一致时，摆放位置无特殊要求。

其中，在进行U型转台同轴度检测过程中，光源装置1、准直装置2、第一焦距自由变换装置3、第二焦距自由变换装置4、U型转台6的光轴需要始终保证同轴状态。

U型转台同轴度偏差关系主要分为以下几种：

(1)U型转台6的俯仰轴的左右两侧轴孔(大端轴孔601和小端轴孔602)孔径大小相同或不同，且同轴度偏差较小，光斑信息呈现偏心圆环状；

(2)U型转台6的俯仰轴的左右两侧轴孔(大端轴孔601和小端轴孔602)孔径大小相同或不同，且同轴度偏差较大，光斑信息呈现偏心月牙状。

水平轴光电检测装置5和竖直轴光电检测装置7可以选用四象限传感器、CCD探测器或CMOS探测器等光电转换器件。本实施方式中，水平轴光电检测装置5和竖直轴光电检测装置7具体均可以选用CMOS型工业相机；镜头端具体参数如下：分辨率为125lp/mm，焦距为90mm，通光孔径为4mm，工作距离为1000mm～∞mm；相机端具体参数如下：最高分辨率为10000*7000，像素尺寸为3.1um*3.1um，有效感光面积为31mm*21.7mm，输出颜色为黑白。

本发明的一种U型转台同轴度检测方法，主要包括以下步骤：

光源装置1发射激光光束，光束经过准直装置2整形为具有一定口径的平行光，平行光经过倍率变换装置9中的第一焦距自由变换装置3与第二焦距自由变换装置4的倍率变换作用后，将其口径调整到与U型转台6的俯仰轴左侧大端轴孔601的孔径尺寸相同状态，光束穿过U型转台6左侧大端轴孔601后，入射到U型转台6右侧小端轴孔602，在理想情况下，光束与U型转台6右侧小端轴孔602之间形成同心圆环，如图1所示；当存在偏差时，光束在U型转台6右侧小端轴孔602处形成偏心圆环状光斑或者偏心月牙状光斑；然后通过水平轴光电检测装置5与竖直轴光电检测装置7分别采集由于轴孔同轴度偏差产生的偏心光斑图像，由于拍摄角度不共轴和光束遮挡问题，因此采用双角度拍摄采集图像；通过水平轴光电检测装置5检测U形转台6俯仰轴的右侧小端轴孔602在水平方向产生的偏离，通过竖直轴光电检测装置7检测U形转台6俯仰轴的右侧小端轴孔602在竖直方向产生的偏离；通过工控机8驱动距离补偿装置10调整第一焦距自由变换装置3与第二焦距自由变换装置4之间的光学间隔，以满足放大倍率需求；最后，通过工控机8记录偏心光斑图像的数据并进行处理，得到同轴度偏差关系。具体为：首先，在U型转台6右侧小端轴孔602处获取相应的拟合圆，并在拟合出的相应的拟合圆11圆心O′处建立相应的X-Y坐标系；其次，利用水平轴光电检测装置5和竖直轴光电检测装置7分别记录在水平方向和竖直方向的偏心光斑图像信息，进一步采用相应的圆心拟合算法，拟合偏心圆环状光斑13(如图3所示)或者偏心月牙状光斑14(如图4所示)的外侧圆弧的圆心O(该圆心O为标定圆12的圆心)；分析拟合后的圆心O′与最先标定的圆心O之间的位置关系，得到同轴度偏差关系。上述具体计算过程如下：

采用最小二乘法拟合圆心，根据圆的公式(x-A)²+(y-B)²＝R²得到以下关系式：

R²＝x²-2Ax+A²+y²-2By+B²    (2)

令：

简化后的圆的一般式为：

x²+y²+ax+by+c＝0    (4)

根据公式(4)求解参数a、b、c，得到圆心坐标(A，B)及半径R的参数：

样本集(X_i，Y_i)，i∈1，2，3，...，n中，点到圆心的距离为d_i：

d_i ²＝(X_i-A)²+(Y_i-B)²    (6)

令点到圆心的距离为d_i的平方与半径R的平方的差值为：

将式(7)展开并带入式(4)得到以下关系式：

令F(a，b，c)为Δr_i的平方和得到以下关系式：

求解参数a、b、c使得F(a，b，c)的值最小；令F(a，b，c)对参数a、b、c分别求偏导，令偏导值为0，比较所有极值点的函数值得到F(a，b，c)的最小值为：

将式(10)写成矩阵的形式：

求解矩阵(11)得到参数a、b、c的值，进而得到A、B和R的拟合估计值：

得到的A值和B值分别为U型转台左侧轴孔大端轴孔在U型转台右侧内表面投射的拟合圆的圆心坐标(A，B)，分析圆心(A，B)与原点(0,0)之间的位置关系，得到同轴度偏差量。

具体实施方式一

U型转台6俯仰轴左右两侧轴孔孔径大小不同，左侧大端轴孔601的孔径为48mm，右侧小端轴孔602的径为40mm。光源装置1发射的激光波长为635nm，准直装置2将光源装置1发射的激光光束整形为直径6mm的圆形光束，倍率变换装置9的倍率β＝-8^x，第一焦距自由变换装置3的焦距f₁＝-6mm，第二焦距自由变换装置4的焦距f₂＝48mm。此时，投射光斑与U型转台6右侧小端轴孔602的位置关系如图5所示，采用本发明的检测方法，测得的U型转台同轴度公差为0.010mm。

具体实施方式二

U型转台6俯仰轴左右两侧轴孔孔径大小相同，左侧大端轴孔601和右侧小端轴孔602的孔径均为36mm。光源装置1发射的激光波长为635nm，准直装置2将光源装置1发射的激光光束整形为直径6mm的圆形光束，倍率变换装置9的倍率β＝-6^x，第一焦距自由变换装置3的焦距f₁＝-7mm，第二焦距自由变换装置4的焦距f₂＝42mm。此时，投射光斑与U型转台6右侧小端轴孔602的位置关系如图6所示，采用本发明的检测方法，测得的U型转台同轴度公差为0.015mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种U型转台同轴度检测系统，其特征在于，包括：

光源装置，用于发射激光束；

设置在光源装置后端的准直装置，所述准直装置用于将光源装置发射的激光束整形为平行光；

设置在准直装置后端的倍率变换装置，所述倍率变换装置用于接收整形后的平行光并对其进行倍率变换；

设置在倍率变换装置后端的U型转台；

设置在U型转台上方的水平轴光电检测装置，所述水平轴光电检测装置用于拍摄U型转台内表面的光斑图像，用于检测U形转台俯仰轴的轴孔在水平方向产生的偏离；

设置在U型转台侧边的竖直轴光电检测装置，所述竖直轴光电检测装置用于拍摄U型转台内表面的光斑图像，用于检测U形转台俯仰轴的轴孔在竖直方向产生的偏离；

工控机，所述工控机分别与倍率变换装置、水平轴光电检测装置、竖直轴光电检测装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种U型转台同轴度检测系统，其特征在于，所述倍率变换装置的光轴与激光束的法线重合。

3.根据权利要求1所述的一种U型转台同轴度检测系统，其特征在于，所述倍率变换装置由第一焦距自由变换装置、第二焦距自由变换装置和距离补偿装置组成；所述第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置均安装在距离补偿装置上；所述距离补偿装置与工控机相连；所述准直装置、第一焦距自由变换装置、第二焦距自由变换装置依次设置；所述光源装置、准直装置、第一焦距自由变换装置、第二焦距自由变换装置、U型转台的光轴保证同轴状态；通过距离补偿装置带动第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置沿光轴方向移动来调整第一焦距自由变换装置与第二焦距自由变换装置之间的光学间隔。

4.根据权利要求1所述的一种U型转台同轴度检测系统，其特征在于，所述距离补偿装置的调节量为变倍前第一焦距自由变换装置的焦距f₁与变倍后第一焦距自由变换装置的焦距f₁ˊ两者的差值，即f₁ˊ-f₁。

5.根据权利要求1所述的一种U型转台同轴度检测系统，其特征在于，所述第一焦距自由变换装置的焦距f₁与第二焦距自由变换装置的焦距f₂满足以下关系：

(1)倍率变换装置的光学间隔为L＝f₁+f₂；

(2)倍率变换装置所需倍率为β＝f₂/f₁；

(3)第一焦距自由变换装置的焦距f₁＝L/(1+β)，第二焦距自由变换装置的焦距f₂＝βL/(1+β)。

6.根据权利要求1所述的一种U型转台同轴度检测系统，其特征在于，所述第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置均选用液晶空间光调制器、变形镜、数字微镜或变焦光学镜组。

7.根据权利要求1所述的一种U型转台同轴度检测系统，其特征在于，所述第一焦距自由变换装置和第二焦距自由变换装置均采用液晶空间光调制器时，其相位图满足公式(1)：

式中，λ为入射光束的波长，f为焦距自由变换装置的焦距，

为液晶空间光调制器所要生成的面型，x，y分别为坐标值；将第一焦距自由变换装置的焦距f₁和第二焦距自由变换装置的焦距f₂分别带入到公式(1)中获得液晶空间光调制器所要生成的面型。

8.一种U型转台同轴度检测方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任意一项所述的一种U型转台同轴度检测系统实现；该方法包括以下步骤：

所述光源装置发射的激光束经准直装置整形为平行光，平行光经第一焦距自由变换装置与第二焦距自由变换装置倍率变换后，将平行光口径调整到与U型转台俯仰轴左侧大端轴孔的孔径尺寸相同状态，光束穿过U型转台左侧大端轴孔后入射到U型转台右侧小端轴孔，在理想情况下，光束与U型转台右侧小端轴孔形成同心圆环，当存在偏差时，光束在U型转台右侧小端轴孔处形成偏心圆环状光斑或偏心月牙状光斑；通过水平轴光电检测装置与竖直轴光电检测装置分别采集由于轴孔同轴度偏差所产生的偏心光斑图像；通过工控机驱动距离补偿装置调整第一焦距自由变换装置与第二焦距自由变换装置之间的光学间隔，以满足放大倍率需求；最后通过工控机记录偏心光斑图像的数据并进行处理，得到同轴度偏差关系。

9.根据权利要求8所述的一种U型转台同轴度检测方法，其特征在于，所述同轴度偏差关系的具体计算过程如下：

在U型转台右侧小端轴孔处获取相应的拟合圆，在拟合圆的圆心处建立X-Y坐标系；利用水平轴光电检测装置和竖直轴光电检测装置分别记录光束在水平方向和竖直方向的偏心光斑图像信息，获取的图像为偏心圆环状光斑图像或偏心月牙状光斑图像，将偏心圆环状光斑或偏心月牙状光斑所在的圆记为标定圆；采用圆心拟合算法拟合出标定圆的圆心；分析拟合圆的圆心与标定圆的圆心之间的位置关系，得到同轴度偏差关系。

10.根据权利要求9所述的一种U型转台同轴度检测方法，其特征在于，所述圆心拟合算法的具体计算过程如下：

采用最小二乘法拟合圆心，根据圆的公式(x-A)²+(y-B)²＝R²得到以下关系式：

R²＝x²-2Ax+A²+y²-2By+B²      (2)

令：

简化后的圆的一般式为：

x²+y²+ax+by+c＝0          (4)

根据公式(4)求解参数a、b、c，得到圆心坐标(A，B)及半径R的参数：

样本集(X_i,Y_i)，i∈1,2,3,…,n中，点到圆心的距离为d_i：

d_i ²＝(X_i-A)²+(Y_i-B)²           (6)

令点到圆心的距离为d_i的平方与半径R的平方的差值为：

将式(7)展开并带入式(4)得到以下关系式：

令F(a,b,c)为Δr_i的平方和得到以下关系式：

求解参数a、b、c使得F(a,b,c)的值最小；令F(a,b,c)对参数a、b、c分别求偏导，令偏导值为0，比较所有极值点的函数值得到F(a,b,c)的最小值为：

将式(10)写成矩阵的形式：

求解矩阵(11)得到参数a、b、c的值，进而得到A、B和R的拟合估计值：

得到的A值和B值分别为U型转台左侧轴孔大端轴孔在U型转台右侧内表面投射的拟合圆的圆心坐标(A，B)，分析圆心(A，B)与原点(0,0)之间的位置关系，得到同轴度偏差量。

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