基于光学自准直原理的多维转轴角度偏差测量方法.pdf

设 计 与 研 究69基于光学自准直原理的多维转轴角度偏差测量方法叶 朗 独伟锋 全旭松 徐 旭 熊 召（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，绵阳 621900）摘 要：文章提出了基于光学自准直原理的多维电动调节机构旋转轴夹角的测量方法，并将该方法用于终端光学组件中的倍频晶体二维调整机构旋转轴夹角的测量实验。结果表明，提出的方法能够有效实现二维电动调节机构旋转轴夹角的测量，且测量误差可控制在 3.06。该方法可广泛应用于复杂精密光学系统多维调节机构旋转轴角度测量与调试。关键词：光学自准直；多维转轴；角度偏差；终端光学组件Measurement Method of Angle Deviation of Multi-dimensional Rotating Shaft Based on Optical Autocollimation PrincipleYE Lang,DU Weifeng,QUAN Xusong,XU Xu,XIONG Zhao(Laser Fusion Research Center,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900)Abstract:This paper presents a method of measuring the rotation angle of multi-dimensional electric regulating mechanism based on the principle of optical autocollimation,and the method is used to measure the rotation angle of two-dimensional adjusting mechanism of frequency doubling crystal in terminal optical components.The results show that the proposed method can effectively measure the angle between the rotation axis of the 2D electric regulating mechanism,and the measurement error can be controlled at 3.06.This method can be widely used to measure and debug the rotation axis angle of multi-dimensional adjusting mechanism in complex and precise optical system.Keywords:optical auto-collimation;multi-dimensions rotary shaft;angle deviation;final optics assembly为实现光束快速引导和准直，复杂光路中的光机模块往往设计了多维电动调节机构。以倍频模块为例，倍频模块上装有倍频晶体，每块晶体具有偏摆和俯仰二维调整功能1。为了提高光束准直效果和效率，避免光束准直调整过程中发生二维联动效应，二维调整转轴机构往往要求设计为二维正交性结构。但是，由于加工、安装误差的存在，难以保证二维转轴机构绝对正交。在实际的光路调节和光机精密转轴安装过程中，需要进行二维调节机构正交性角度偏差 测量2-3。王建永等基于球面三角计算方法和向量运算方法的正交度，研究多维转台对测量精度的影响4。范晋伟等基于多体系统理论建立非正交五轴数控机床运动误差模型，以球杆仪测量旋转轴误差5。丁文研究了非正交轴系全站仪坐标测量系统误差分析方法6。针对多维旋转轴的角度偏差测量，通过非接触式电容测微仪和平晶与多齿分度盘组合测试方法实现二维工作台正交性检测7，通过三轴磁传感器非正交性的测量实现三轴传感器非正交性误差测量8，通过三轴磁传感器实现正交性校正矢量9，并基于平行光管工作原理的三轴稳定平台框架测量轴正交性10。这些研究具有重要的参考价值，但是并不适用于测量复杂光路中光机模块多维电动调节机构的转轴角度偏差，所以提出了基于光学自准直原理的复杂光路中光机模块多维电动调节机构转轴角度偏差测量方法，并用于终端光学组件中的倍频晶体二维调整机构旋转轴夹角测量。1 二维转轴机构以高功率固体激光装置中倍频晶体模块为例，倍频晶体模块二维转轴机构由偏摆轴和俯仰轴组成，如图 1 所示。偏摆旋转轴为AB，俯仰旋转轴为CD。为避免光束准直调整过程中发生二维联动效应，减小分量造成的影响，通常要求偏摆旋转轴和俯仰旋转轴正交性偏差不超过 1。ADCB偏摆轴俯仰轴图 1 倍频晶体模块转轴机构现 代 制 造 技 术 与 装 备702023 年第 9 期总第 322 期2 二维转轴夹角测量方法基于自准直原理，在待测调整机构基准面上安装反射镜。反射镜所在平面与二维旋转轴构成的平面平行，利用光电自准直仪对反射镜表面进行准直。准直完后调整待测机构，即调整图 1 中的AB轴、CD轴，此时可在自准直电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）上读出X轴、Y轴方向角度分量。2.1 偏摆转轴与自准直仪X轴方向夹角测量方法偏摆转轴与自准直仪X轴方向夹角测量如图 2 所示，其中O点为自准直仪参考点，坐标面OXY为自准直成像坐标面，二维转轴机构坐标平面为偏摆轴AB与俯仰轴CD组成的平面。在二维转轴机构上安装反射镜，在反射镜前架设自准直仪，并用角锥棱镜确定自准直 CCD 视场内的自准直绝对参考点位置O，调节自准直姿态并对反射镜进行准直，使反射回的叉丝像点与位置O重合。调整偏摆转轴AB，叉丝像点运动至P点，读取P点的X轴、Y轴角度分量0、0。由调整前后的准直像点规律，可知OPAB。根据三角函数关，系可得0=arctan(tan0/tan0)（1）2.2 俯仰转轴与自准直仪X轴方向夹角测量方法调整俯仰转轴CD，叉丝像点运动至Q点，读取Q点的X轴、Y轴角度分量1、1，如图 3 所示。反射镜 C O P Y 旋转轴 俯仰轴 A B D 自准直仪 T 理想轴 000X 图 2 偏摆转轴与自准直仪X轴方向夹角测量反射镜 C Q O X Y A B D 自准直仪 111旋转轴 俯仰轴 理想轴 图 3 俯仰转轴与自准直仪X轴方向夹角测量由调整前后的准直像点规律，可知OQCD。根据三角函数关系，可得1=arctan(tan1/tan1)（2）2.3 二维转轴角度分析由角度关系可知，偏摆轴、俯仰轴与自准直仪X轴方向夹角之差就是偏摆轴和俯仰轴的夹角。根据式（1）和式（2）可求得偏摆轴与俯仰轴的夹角，即=|0-1|（3）其正交性角度偏差可表示为=|90-|（4）2.4 系统测试误差分析采用自准直方法实现二维转轴夹角测量，其测量误差主要来源于利用角锥确定参考点O产生的误差M。自准直仪测量0、0产生的误差分别为Nx1、Ny1，自准直仪测量1、1产生的误差分别为Nx2、Ny2，则二维转轴夹角测量误差可表示为22222max1122=+xyxyMNNNN+（5）3 实验为了验证提出的测量方法，以终端光学组件（Final Optics Assembly，FOA）二倍频晶体作为实验测试对象，搭建二倍频在线模块的转轴夹角测试实验平台，如图 4 所示。本次共完成 4 套终端光学组件的二倍频晶体二维转轴测试实验，测量结果如表 1 所示。根据测试方法设 计 与 研 究71中的式（2）式（4），分析获得被测对象转轴角度数据，如表 2 所示。表 1 测试实验数据测试对象测试参数二倍频/（）偏摆轴俯仰轴1#0、1-2 017.1-31.60、139.8-2 002.02#0、1-2 018.3-38.40、148.1-2 077.33#0、1-1 983.526.90、1-28.1-1 993.34#0、1-1 990.2-30.70、1-25.52 091.6 表 2 实验结果 单位：指标1#2#3#4#偏摆轴与X轴的夹角0-88.870-88.63589.18889.266俯仰轴与X轴之间的夹角10.9041.059-0.773-0.841偏摆轴、俯仰轴夹角89.77489.69489.96190.107正交性角度偏差0.2260.3060.0390.107实验中使用的角锥精度为 3，自准直仪测量误差为 0.3，将其带入式（5），获得测量误差为 3.06。从表 2 可得，对倍频模块的二维调节机构测得轴正交性能偏差最大为 0.306。4 结语基于光学自准直原理的多维电动调节机构旋转轴夹角的测量方法，应用于终端光学组件中的二倍频晶体二维调整机构旋转轴夹角进行测量验证，分别测试了 4 组二倍频晶体的二维转轴角度偏差，获得二倍频晶体精密调整轴的轴正交性能偏差最大为 0.306，测量系统的测量误差可控制在 3.06。结果表明，提出的转轴角度偏差测量方法能有效实现二维调节机构旋转轴角度测量与调试。参考文献1 李富全，韩伟，王芳，等.高功率激光驱动器终端光学组件研究现状 J.激光与光电子学进展，2013（6）：13-19.2 乔战峰，卢兴强，赵东峰，等.神光-升级装置终端光学组件的排布设计 J.中国激光，2008（9）：1328-1332.3 赵东峰，华能，章亚男，等.神光-装置第九路靶场终端光学组件的研制 J.强激光与粒子束，2007（2）：245-248.4 王建永，张晨阳，赵文峰，等.正交度对高精度二维转台测量精度的影响 J.航天返回与遥感，2017（3）：94-101.5 范晋伟，王志远，唐宇航.非正交五轴数控机床旋转轴误差辨识方法的研究 J.组合机床与自动化加工技术，2015（1）：71-74.6 丁文.非正交轴系坐标测量系统误差分析技术研究 D.天津：天津大学，2017.7 陈琦.二维工作台正交性检测 J.长春工业大学学报（自然科学版），2014（6）：720-722.8 杨云，于晓东.三轴传感器非正交性误差分析及测量方法研究 J.水雷战与舰船防护，2009（1）：53-55.9 王鹏飞，曾立，唐文庆，等.三轴磁传感器正交性校正的矢量校准方法 J.空间科学学报，2018（6）：953-959.10 李贤兵，赵桂瑾.一种三轴稳定平台框架轴正交性测量方法 J.科技资讯，2010（24）：3.旋转轴俯仰轴准直光反射镜自准直仪准直光源角锥图 4 终端倍频模块二维转轴夹角测试平台