一种基于自准直原理的小角度检查装置及其小角度检查方法

本发明属于精密小角度测量领域，具体涉及一种基于自准直原理的小角度检查装置及其小角度检查方法。

背景技术：

1、精密小角度测量是几何量计量领域的重要组成部分，在超精密加工制造、半导体加工、精密运动控制、大型设备加工与装配等领域具有广泛的应用。常用的精密小角度测量仪器有框式水平仪、条式水平仪、合像水平仪、电子水平仪、自准直仪等，其角度测量水平对上述领域的发展至关重要。

2、精密小角度测量仪器为了保证其测量性能，需要定期进行校准，常用的校准仪器为小角度检查仪。小角度检查仪是一种用于产生标准微小角度的测量仪器，具有精度高、分辨力高、测量速度快、结构简单等特点。

3、传统结构小角度检查仪如图1所示，该装置包括工作台1、工作台转轴2、工作台转轴座3、位移执行器4、工作台支撑轴5、底座6、第一定位指示计7、第二定位指示计8；底座6水平放置，工作台1与工作台转轴2和工作台支撑轴5固定连接，两端分别由工作台转轴座3和位移执行器4支撑并放置在底座6上；第一定位指示计7和第二定位指示计8竖直放置在工作台1上方，两个定位指示计平行且距离固定，测头接触工作台上1表面。位移执行器4在竖直方向上发生位移，带动工作台支撑轴5产生高度变化，工作台1绕工作台转轴2发生微小转动，带动工作台1上表面发生倾斜；两个定位指示计的测头跟随工作台1上表面的高度变化，沿各自定位指示计轴线运动并探测出位移变化量；根据两个定位指示计的位移变化量和已知的两个定位指示计距离可以计算得到工作台1当前的角度值；通过在一侧定位指示计测头下放置已知厚度的量块，利用正切原理计算发生变化的角度值。

4、综上所述，传统结构的小角度检查仪存在以下问题：

5、1、传统结构小角度检查仪角度发生基于正切原理，以量块作为角度发生标准，工作台每次改变角度都需用较长时间手动更换并调整量块，而小角度检查仪一次检定需要发生多个标准角度，导致检查速度慢、效率不高；

6、2、传统结构小角度检查仪使用定位指示计作为角度测量装置，通过两个定位指示计的示数差及间距计算角度。由于定位指示计分辨力有限，且两个定位指示计定位精度和距离都存在一定误差，导致难以实现高分辨力与高精度的角度发生；

7、3、传统结构小角度检查仪使用的定位指示计采用接触式位移测量，定位指示计的测头与工作台的工作面直接接触，长时间工作后测头存在磨损现象，导致仪器精度下降，需要定期维护。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于自准直原理的小角度检查装置及其小角度检查方法，针对传统结构小角度检查仪手动检查效率低、无法实现高精度高分辨力角度测量、接触式测量存在磨损现象的问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于自准直原理的小角度检查装置，所述小角度检查装置包括工作台1、工作台转轴2、工作台转轴座3、位移执行器4、底座6、平面反射镜9、自准直仪10、自准直仪座11、位移驱动模块12、数据采集模块13和显示及主控模块14；

4、所述底座6水平放置，所述工作台11和工作台转轴2固定连接，所述工作台转轴2通过工作台转轴座3与底座6相连接，所述工作台11通过位移执行器4与底座6相连接，所述工作台转轴座3和位移执行器4分别设置在支撑工作台11的两端；

5、所述平面反射镜9固定连接在工作台11活动端的侧面上，所述平面反射镜9与工作台11的上表面垂直；所述工作台11绕轴旋转带动平面反射镜9俯仰角发生变化，所述平面反射镜9俯仰角变化为工作台11发生的角度变化；

6、所述自准直仪10由自准直仪座11固定连接到底座6上，所述自准直仪10的光轴高度与平面反射镜9中心高度一致，且光轴垂直于平面反射镜9平面；

7、所述自准直仪10包括准直透镜组101、分光镜102、光源与小孔光阑103、光电传感器104、自准直仪外壳105和自准直仪镜筒106；所述准直透镜组101、分光镜102、光源与小孔光阑103和自准直仪镜筒106在同一轴线上；光源与小孔光阑103和光电传感器104关于分光镜102反射面对称，且光源位于准直透镜组101的焦面上；

8、所述位移驱动模块12接收来自显示及主控模块14的驱动信号，控制位移执行器4产生响应的位移变化；数据采集模块13采集自准直仪10中光电传感器104产生的光斑数据并发送上传至显示及主控模块14计算测量的角度值。

9、进一步的，所述平面反射镜9替换为工作台11的l形状活动端，平面反射镜9粘贴位置与被测角度测量仪器16的轴线高度一致；

10、所述自准直仪10光轴与平面反射镜9、被测角度测量仪器16高度相同，在同一轴线上。

11、一种基于自准直原理的小角度检查装置的小角度检查方法，所述小角度检查方法具体为：

12、步骤a、装置开机自检，并调整工作台1至水平状态，将被测角度测量仪器平稳放置在工作台1中心位置；

13、步骤b、仪器静置预热，并调整装置角度测量零位；

14、步骤c、对被测角度测量仪器进行检定参数的设定，设置检定的角度变化范围[a，b]，检定步长l0，检定点个数n，即n＝(b-a)/l0+1，生成n个检定点标准角度a、a+l0、a+2l0、……、a+(n-2)l0、b；

15、步骤d、根据设定的参数进行检定；

16、步骤e、显示及主控模块14按照检定需求处理存储的标准角度数据和测量数据，输出被测角度测量仪器的检定报告，完成检定。

17、进一步的，所述自检为测试角度测量的全量程范围内位移驱动功能和角度测量功能是否正常。

18、进一步的，将自准直仪10的角度测量示数漂移至稳定后，再次驱动位移执行器4使自准直仪10测量角度值为0，记此位置为装置角度测量零位。

19、进一步的，所述检定过程为，

20、步骤d1、驱动位移执行器(4)使自准直仪(10)测量的角度值等于第一个检定点标准角度a，记录当前时刻被测角度测量仪器的角度示数x1；

21、步骤d2、重复步骤d1，装置依次发生其他检定点标准角度a+l0、a+2l0、……、a+(n-2)l0、b，依次记录被测角度测量仪器的角度示数x2、x3、……、x(n-1)、xn。

22、一种基于自准直原理的小角度检查装置，所述小角度检查装置包括工作台1、工作台转轴2、工作台转轴座3、位移执行器4、底座6、平面反射镜9、自准直仪10、位移驱动模块12、数据采集模块13和显示及主控模块14；

23、所述底座6水平放置，所述工作台11和工作台转轴2固定连接，所述工作台转轴2通过工作台转轴座3与底座6相连接，所述工作台11通过位移执行器4与底座6相连接，所述工作台转轴座3和位移执行器4分别设置在支撑工作台11的两端；

24、所述平面反射镜9平面反射镜9固定在工作台11下表面的几何中心处，所述平面反射镜9的正下方的底座6上固定直角反射镜17，所述自准直仪10放置到底座6上，所述自准直仪10准直出射的光束入射直角反射镜17，反射光束竖直向上入射平面反射镜9；

25、当工作台11处于水平位置时，光束垂直入射平面反射镜9，自准直光束原路返回；当工作台11发生角度变化时，光束携带平面反射镜9的角度信息，经直角反射镜17反射，返回自准直仪10内会聚成像在光电传感器104上；

26、所述位移驱动模块12接收来自显示及主控模块14的驱动信号，控制位移执行器4产生响应的位移变化；数据采集模块13采集自准直仪10中光电传感器104产生的光斑数据并发送上传至显示及主控模块14计算测量的角度值。

27、进一步的，所述自准直仪10包括准直透镜组101、分光镜102、光源与小孔光阑103、光电传感器104、自准直仪外壳105和自准直仪镜筒106；所述准直透镜组101、分光镜102、光源与小孔光阑103和自准直仪镜筒106在同一轴线上；光源与小孔光阑103和光电传感器104关于分光镜102反射面对称，且光源位于准直透镜组101的焦面上。

28、本发明的有益效果是：

29、本发明针对传统小角度检查仪手动放置量块实现角度发生，检定时间长、效率不高的问题，本发明提出了使用电机作为工作台角度发生的位移执行器；在位移驱动模块控制下，位移执行器能够根据检定需求自动发生高分辨力的位移，取代了传统小角度检查仪手动放置与调整量块的过程与传统小角度检查装置相比，能够快速推动工作台在大行程范围内发生高分辨力的微小角度，全程自动完成，没有人工操作和量块堆叠放置过程，提高了角度发生速度和精度，提高了检定效率；

30、本发明针对传统小角度检查采用正切原理，定位指示计无法实现高分辨力、高精度角度测量的问题，本发明提出了基于自准直原理的小角度检查仪。角度测量基于自准直原理，利用光杠杆将平面反射镜的微小角度变化放大为光斑的位移变化，进而实现微小角度的测量与计算；采用自准直法角度测量方式能够对工作台角度变化直接测量，与定位指示计相比需要测量的物理量个数少，具有测量分辨力高、精度高、非接触等技术优势。

31、本发明采用非接触的自准直角度测量方式，取代传统的定位指示计接触式测量，克服了传统小角度检查仪因接触测量导致测头磨损而使角度发生精度下降、降低仪器使用寿命的问题。

32、本发明装置结构中，工作台轴线和自准直仪光轴平行且高度相同，对工作台角度变化值实现了直接角度测量，与传统结构小角度检查仪相比缩短了测量链，降低了阿贝误差，进一步提高了角度测量的精度。