大型經(jīng)緯儀軸系晃動的傅里葉諧波分析方法

1、電視內(nèi)調(diào)焦定心儀及其應(yīng)用發(fā)布時間：2012-07-19來源：互聯(lián)網(wǎng)0瀏覽次數(shù)：145 | 我要說幾句 |   · » 提高LabVIEW開發(fā)速度25技(英) · » 2012第三季度NI儀器儀表季刊 · » NI 2012畢業(yè)設(shè)計競賽獲獎?wù)撐?· » LabVIEW 2012評估版軟件 介紹一種新型的電視內(nèi)調(diào)焦定心儀的原理、結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、儀器的特點和應(yīng)用。摘要：介紹一種新型的電視內(nèi)調(diào)焦定心儀的原理、結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、儀器的特點和應(yīng)用。引言目前在光學(xué)零件的磨邊、膠合、檢驗以及裝校中,經(jīng)常碰

2、到較長的曲率半徑(R=500mm以上),以往的定心儀焦距較短、倍率較低,經(jīng)常不能滿足長曲率半徑光學(xué)零件定心、測試和調(diào)整的精度要求。我們在內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種新型的電視內(nèi)調(diào)焦定心儀。1儀器的工作原理1.1光學(xué)系統(tǒng)原理定心儀的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。燈泡5發(fā)出的光,經(jīng)聚光反射鏡6和聚光鏡4照明球面反射鏡分劃板3,分劃板的十字線經(jīng)調(diào)焦鏡2和固定組1成象于無窮遠(yuǎn)處。如果改變調(diào)焦鏡的位置,那么分劃板的象可以從+調(diào)到+441mm,從-調(diào)到-289mm(該尺寸指工作距離)。如果某一被檢光學(xué)表面的球心正好處于同分劃板象重合的位置時(平面則可以認(rèn)為是半徑為無窮大的球面),光線將被該鏡面反射,反射光又經(jīng)過

3、內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)后成象在球面分劃板的表面上,該象再經(jīng)過顯微物鏡7和轉(zhuǎn)向反射鏡8成象于CCD攝象機靶面(或目鏡分劃板)上,觀察者通過監(jiān)視器或目鏡可看清這個象。如果被檢光學(xué)表面的球心有一微小的變動量a,見圖2 ,則反射象改變2a,這個量經(jīng)定心儀系統(tǒng)放大后為,則球心的變化量為式中面傾角,();a被檢光學(xué)表面球心到基準(zhǔn)軸的距離,(mm);R被檢光學(xué)表面球半徑,(mm);定心儀的放大倍率;i內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)放大倍率;c轉(zhuǎn)象顯微物鏡放大倍率;f0內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)出射平行光時的焦距,(mm);ft內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)出射平行光時與轉(zhuǎn)象顯微物鏡的組合焦距,(mm)。為了適應(yīng)不同精度的測量和不同場合下的使用,轉(zhuǎn)象顯微物鏡可以更換,CCD攝

4、象機與目鏡之間也可以方便地更換。目鏡可選用雙向測微目鏡、單向測微目鏡或定中心目鏡。測微目鏡的精度為0.01mm,定中心目鏡分劃板格值為0.2mm。用CCD攝象機測量時,監(jiān)視器屏幕上顯示有電信號產(chǎn)生的測量分劃線,分劃線格值也是0.2mm。調(diào)焦指示系統(tǒng)見圖1,13是調(diào)焦指示刻尺,刻尺與調(diào)焦鏡聯(lián)動,刻尺上分別刻有調(diào)焦鏡不同位置時內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)的倍率和工作距離。為了滿足盲區(qū)(-289mm+441mm)內(nèi)的定心測量,儀器配有七組可換附加物鏡。此外,還配有帶孔物鏡和刻有十字絲的反射鏡各一塊,這兩個附件用于儀器的自檢和調(diào)整。1.2電氣工作原理電視內(nèi)調(diào)焦定心儀電氣部分是用電視方法產(chǎn)生測量分劃線和井字線,并用井線來

5、設(shè)置和顯示被測件的公差帶。它主要由CCD攝象機、分劃線和井線產(chǎn)生器、監(jiān)視器三部分組成。被檢光學(xué)表面的反射象成在CCD攝象機靶面上并轉(zhuǎn)換成電信號,和測量分劃線及井線信號疊加起來,顯示在監(jiān)視器屏幕上?？梢杂梅謩澗€測量反射象的偏差量,也可以用井線設(shè)置公差范圍。圖3和圖4分別給出了電視內(nèi)調(diào)焦定心儀的監(jiān)視器屏幕示意圖和電氣原理框圖。同步發(fā)生器輸出的行同步脈沖HS觸發(fā)兩個垂直線位置脈沖產(chǎn)生器,產(chǎn)生兩個延遲時間為755s的位置脈沖,用它們分別觸發(fā)垂直線寬脈沖形成器,形成兩個0.1s的垂直線寬脈沖。場同步脈沖VS觸發(fā)兩個水平線位置脈沖產(chǎn)生器,產(chǎn)生兩個延遲時間為118ms的位置脈沖,用它們分別觸發(fā)水平線寬脈沖形

6、成器,形成兩個寬度為52s的水平線寬脈沖。為了在監(jiān)視器上顯示分劃線刻度,首先要把分劃線的數(shù)據(jù)以點陣方式放進(jìn)存儲器中,然后通過計數(shù)與控制邏輯控制每個電視場,從存儲器逐一讀取各行各列上的不同位置的點陣數(shù)據(jù),并經(jīng)并串轉(zhuǎn)換電路將分劃線點陣信號加到混合器2。視頻處理器將CCD攝象機輸出的光學(xué)圖象進(jìn)行箝位放大,然后和混合器2輸出的信號在混合器1疊加起來顯示在監(jiān)視器上。通過改變水平線和垂直線位置脈沖的延遲時間,可改變井線井口大小,從而改變公差帶的設(shè)置范圍。改變亮度調(diào)節(jié)電路的增益可改變井線和水平分劃線的明暗程度。井線還可以黑白反轉(zhuǎn)和取消。2儀器的主要技術(shù)指標(biāo)3儀器的特點1)調(diào)焦范圍大,附加物鏡齊全,對任何中、

7、短半徑及長半徑的光學(xué)零件均可適用,不僅可以用于滾邊、膠合、檢驗、裝校,而且還可以作為中等精度的定線儀器;2)可以根據(jù)不同場合選擇目鏡測量和電視測量,目鏡測量精度高,電視測量直觀、方便、勞動強度低;3)倍率可靈活改變,大倍率測量精度高,小倍率視場大,找象更容易;4)目標(biāo)采用暗背景亮線,對比度好,亮度連續(xù)可調(diào),適用于高增透膜光學(xué)零件和膠合零件的定心、檢驗以及面數(shù)較多的光學(xué)系統(tǒng)的裝校定心、檢驗;5)看不見表面象,可以避免找錯象;6)電視測量時,公差帶標(biāo)記(#線)的每條線在監(jiān)視器上的位置獨立可調(diào),線條亮度可調(diào),并能黑白反轉(zhuǎn)和取消。4儀器的典型應(yīng)用電視內(nèi)調(diào)焦定心儀可做為平行光管、測微自準(zhǔn)直儀、長工作距離

8、顯微鏡、內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡,在光學(xué)車間或光學(xué)實驗室的光學(xué)裝配、調(diào)整、檢驗等方面得到廣泛應(yīng)用。(1)做測微自準(zhǔn)直儀或平面的滾邊定心、膠合定心等,此時儀器應(yīng)調(diào)焦于無窮遠(yuǎn)。做測微自準(zhǔn)直儀時,被測角按下式計算:(2)做內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡使用,可作為中等精度的定線儀器,也可用于各種球面鏡及球面鏡和鏡頭之間的共軸調(diào)整。(3)不加附加物鏡直接測量-289mm ,+441mm+范圍內(nèi)的各種透鏡球心象。(4)加附加物鏡測量-289+441mm范圍內(nèi)的各種透鏡球心象,此時內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)到無窮遠(yuǎn)位置,靜止法和旋轉(zhuǎn)法測量的公式分別同(8)和(9)式,但如果被測面與儀器之間還有光學(xué)系統(tǒng),不能直接用上述公式計算,還要考慮中間光學(xué)系統(tǒng)的

9、倍率和偏心對測量的影響,詳見參考文獻(xiàn)3,4。結(jié)束語電視內(nèi)調(diào)焦定心儀的調(diào)焦范圍在同類儀器中是最大的,公差帶設(shè)定功能屬國內(nèi)首家研制,是傳統(tǒng)的通過目鏡讀數(shù)的磨邊定心儀的理想換代產(chǎn)品。該儀器已使用在航天工業(yè)總公司八三五八所的雙光路磨邊定心機床上,效果很好。致謝：感謝航天工業(yè)總公司八三五八所回長順高級工程師對該項工作的大力支持。參考文獻(xiàn)1魏全忠等.OEA-1電視自準(zhǔn)直儀的研制及應(yīng)用.光學(xué)技術(shù),1998, (3 ):252王肇勛.ZX-3型內(nèi)調(diào)焦對心器研制工作報告.光學(xué)工程,1984,11(5):11243王肇勛.整組物鏡各面偏心差的測量.光學(xué)工程,1980,7(1):1114王肇勛,魏全忠.整組物鏡各面

10、偏心差的測量(續(xù)).光學(xué)工程,1984,11(5):3240本文作者：魏全忠葉華壽大型經(jīng)緯儀軸系晃動的傅里葉諧波分析方法發(fā)布時間：2012-07-19來源：互聯(lián)網(wǎng)0瀏覽次數(shù)：142 | 我要說幾句 |   · » 提高LabVIEW開發(fā)速度25技(英) · » 2012第三季度NI儀器儀表季刊 · » NI 2012畢業(yè)設(shè)計競賽獲獎?wù)撐?· » LabVIEW 2012評估版軟件 詳細(xì)介紹了用傅里葉諧波分析方法對大型經(jīng)緯儀的水平軸晃動誤差和垂直軸晃動誤差的來源進(jìn)行分析并采取改進(jìn)措施,以及對經(jīng)緯儀

11、測角誤差的修正方法。摘要：詳細(xì)介紹了用傅里葉諧波分析方法對大型經(jīng)緯儀的水平軸晃動誤差和垂直軸晃動誤差的來源進(jìn)行分析并采取改進(jìn)措施,以及對經(jīng)緯儀測角誤差的修正方法。1大型經(jīng)緯儀軸系彈性變形的力學(xué)分析眾所周知,大型經(jīng)緯儀軸系(視軸、水平軸、垂直軸)的機械零件制造誤差和安裝調(diào)試誤差對經(jīng)緯儀的測角精度有影響。但是機械零件的剛度不足而引起的彈性變形也將對經(jīng)緯儀的測角精度有影響,必須給予重視。大型經(jīng)緯儀的機械零件強度不是問題,應(yīng)力都遠(yuǎn)小于零件強度許用值,主要是剛度問題,例如,水平軸在不對稱載荷作用下,其不對稱的彎曲變形對視軸在高低角0°90°的照準(zhǔn)差有影響,視軸在空間掃描一條斜線(視軸

12、晃動)。再如水平軸的徑向軸承間隙將促使水平軸的隨機晃動,因而對水平軸的傾斜誤差及視軸的照準(zhǔn)差都有影響。當(dāng)經(jīng)緯儀在偏心載荷作用下而發(fā)生的垂直軸晃動將對水平軸的傾斜誤差有影響,對視軸的高低角測角誤差也有影響,等等,不一一例舉。關(guān)于大型經(jīng)緯儀軸系的機械零件彈性變形的力學(xué)分析計算請詳見文獻(xiàn)1。今舉例,某經(jīng)緯儀的水平軸受力情況如圖1所示3。由于圖1中的水平軸受力情況是非對稱的,其中左右兩個徑向滾珠軸承承受的支反力為RA=8702N,RB=5900N,所以水平軸的彎曲變形也是非對稱的,因而也影響到視軸在高低角0°90°范圍內(nèi),視軸的照準(zhǔn)差是變化的。在高角為0°時,視軸照準(zhǔn)差調(diào)

13、試到0,而轉(zhuǎn)到高角為90°時,視軸就偏向一方。現(xiàn)分析如下。這說明當(dāng)高低角為90°時視軸向右偏轉(zhuǎn)0.22,可用T4經(jīng)緯儀標(biāo)定檢測,也可以用天空星體檢測視軸晃動。由水平軸撓曲軸線的三個轉(zhuǎn)角數(shù)值判別-3.79,-0.22,4.66可知轉(zhuǎn)角為0的點是在l2l之間,也是梁的撓曲度最大的點。為了減小這種影響,需要加大水平軸的剛度及左右軸頭與水平軸體(四通件)聯(lián)接剛度,使水平軸彎曲變形減小,或在水平軸上加配重,使水平軸承受對稱載荷。(注:前面的算例中取彈性模數(shù)E=20.58×106N/cm2,軸頸的外經(jīng)×內(nèi)徑=200mm×100mm。)為了減小水平軸隨機晃動

14、,除了增加水平軸的剛度,提高徑向滾珠軸承的制造精度之外,還需要采用過盈配合,消除鋼球與軸承環(huán)之間的間隙。例如某大型經(jīng)緯儀設(shè)計時考慮了過盈配合,但過盈量只有0.0070.009mm,而實際上鋼球與內(nèi)、外環(huán)接觸壓縮變形量(用彈性力學(xué)蓋爾茲別遼耶夫理論公式計算)為=0.0212mm0.0164mm(見文獻(xiàn)1),因此水平軸在載荷作用下徑向軸承仍有間隙0.0090.012mm,這也促使水平軸增加了隨機晃動的自由度。為要消除軸承的間隙,需要采取大于0.0212mm的過盈配合。關(guān)于經(jīng)緯儀重心置中度的測量如圖3所示。用一個壓力傳感器置換調(diào)平機構(gòu)3,再使經(jīng)緯儀圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn),測得最大壓力W1和最小壓力W2。設(shè)經(jīng)

15、緯儀總重量是W,調(diào)平機構(gòu)分布在半徑R=500mm的圓周上,偏心距為a1,則由下式中可以求得W和a1。假如經(jīng)緯儀底盤斷面設(shè)計成箱形結(jié)構(gòu)的鑄件,其斷面尺寸取寬×高×壁厚=300mm×200mm×15mm,鑄鐵彈性模數(shù)取11.2×104N/mm2,剪切模數(shù)取44.1×103N/mm2,把已知數(shù)值代入上式中計算得底盤局部最大下陷彎曲撓度約為0.0008mm,傾角約為0.33,因而引起垂直軸晃動。為減小垂直軸晃動,可采取增加底盤剛度,減小低盤彎曲變形,或者采取加載平衡措施,使底盤承受對稱載荷?？傊?對這些零件的彈性變形進(jìn)行力學(xué)分析計算,由于零件

16、形狀的復(fù)雜性和材料的不均勻性,很難做到準(zhǔn)確的計算。所以最終還是要用檢測方法,測出經(jīng)緯儀軸系的變形大小,再用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行分析誤差的來源,采取改進(jìn)措施。2大型經(jīng)緯儀軸系晃動的傅里葉諧波分析2.1水平軸晃動的傅里葉諧波分析檢測方法是在水平軸端面安裝一個可調(diào)的平面反射鏡,再用0.2自準(zhǔn)平行光管對準(zhǔn)平面反射鏡。水平軸從0°360°旋轉(zhuǎn)兩周后,再反轉(zhuǎn)兩周(連續(xù)轉(zhuǎn)動兩周的目的是為了消除鋼球滾動速度梯度的影響,并取4次平均值以平滑滾珠軸承的雙周晃動影響,因軸的轉(zhuǎn)速是鋼球轉(zhuǎn)速的兩倍),每隔30°測一個數(shù)據(jù),分別測出水平軸晃動在高低方向的分量(將影響水平軸傾斜誤差i)和在水平方向的分

17、量(將影響視軸照準(zhǔn)差的誤差C),再展開成傅里葉級數(shù)并進(jìn)行諧波分析,找出晃動誤差來源,采取措施減少之。設(shè)某大型經(jīng)緯儀的水平軸晃動在高低方向分量yii和水平方向分量yci測得值如表1(參看文獻(xiàn)2)。一個以2為周期的周期性函數(shù)展開成傅里葉級數(shù)為根據(jù)實測的水平軸晃動高低分量求出的5個諧波函數(shù)值列入表2中,并且根據(jù)諧波函數(shù)值作圖5。求出的五個諧波函數(shù)值列入表3中。根據(jù)實測值用傅里葉級數(shù)進(jìn)行諧波分析,從表2和圖5及表3中可以看出,常數(shù)項a0/2是說明平面反射鏡與水平軸不垂直,是常量,從測試值中減掉即可,不影響諧波分析精度。一次諧波是說明徑向滾珠軸承內(nèi)環(huán)與外環(huán)(外環(huán)固定不轉(zhuǎn)動)不同心,最大偏心量只有

18、7;0.1,影響不大。二次諧波是說明徑向軸承內(nèi)環(huán)的橢圓度及水平軸體的彈性變形,但影響不大,晃動誤差只有±0.175和±0.06。從表2和表3中還可以看出水平軸體在載荷作用下對水平軸晃動高低方向影響大,而對水平方向影響小。這說明水平軸體(四通件)剛度不足,或左右軸頭與水平軸體聯(lián)接剛度不足,需要改進(jìn)。三次諧波說明水平軸體剛度不足,或是水平軸軸承內(nèi)環(huán)呈三角形狀,需提高機械加工精度。但是晃動誤差只有±0.25和±0.183,影響不大。四次及高次諧波屬隨機晃動,小于±0.1,影響較少,可以不考慮。在經(jīng)緯儀測角誤差修正時,因為水平軸晃動高低分量影響水平軸的傾斜誤差i,需要從i中減掉yii,但要注意方向性。水平軸晃動水平分量影響視軸照準(zhǔn)誤差c,需要從c中減掉yci,也要注意方向性。最后,需要強調(diào)的是,如果不是為了分析水平軸晃動誤差來源,不必求出一、二、三次諧波函數(shù),可以用實測的數(shù)值減去常數(shù)項a0/2之后,直接用于經(jīng)緯儀測角誤差的修正,但必需注意誤差的方向性及高低角。2.2垂直軸晃動的傅里葉諧波分析垂直軸晃動誤差的測試也分為兩個方向。把0.1電子水