基于LVDT的光学器件相对位姿检测方法

　　1 引 言

　　激光陀螺调腔操作是一项非常精密的光学装配任务。调腔装配过程中，不仅需要检测球面镜与谐振腔体光胶面距离而且需要调整两面的平行度，即进行相对位姿检测，为机器人调腔提供姿态控制信息[1]。

　　本文针对调腔操作过程中相对位姿检测和系统安装空间的特点，开发了基于 LVDT 的三维精密相对位姿检测系统，对其检测原理、控制系统进行研究，并通过实验对所设计的相对位姿检测系统的性能进行测试。

　　2 相对位姿检测方法

　　2. 1 检测原理

　　调腔的最终结果是把球面镜装配到谐振腔体上，即将球面镜与谐振腔体的光胶面粘合成一体( 两面绝对平行且距离为零) 。因此，如何确定球面镜与谐振腔体的位姿关系是一个关键问题。

　　目前，两物体间相对位姿检测方法有很多，如可以采用平行平晶、三坐标测量机、光电传感器、交叉光栅、经纬仪、千分表等仪器进行测量[2-7]。鉴于谐振腔体密封性的要求，在装配球面镜前，绝对不能有外物接触谐振腔体及球面镜的光胶部分。因此，2 种非接触式测量方法比较适合调腔相对位姿检测。方法 1: 通过光电传感器测量，方案如图 1 所示。这种传感器通过测量缝隙的透光量可直接得到两个物体之间的间隙大小，进而检测位姿。其测量方法为: 控制光学装配机器人使球面镜沿着水平或竖直方向运动，通过光电传感器 1、传感器 2 两次测量的差值来判断两者之间位姿，但由于安装传感器的空间有限，以目前现有的传感器产品来看，它与机器人和谐振腔体都相互干涉，故此种方法不可行。方法 2: 显微视觉方法。采用显微镜识别球面镜与谐振腔体光胶面的边缘，通过计算得到缝隙大小，测量方法和方法 1 相同。但显微视觉的视野很小，并且系统没有安装显微镜的空间，也不可行。

　　考虑到谐振腔体及球面镜光胶面的外形( 腔体-方形，球面镜-圆形) ，可以利用谐振腔体光胶面的 4 个角，采用接触法测量位姿，检测原理如图 2 所示，利用 4 个微位移传感器检测镜片基准面与谐振腔体光胶面之间的位置和姿态。根据镜片与谐振腔体光胶面间的距离 ( z) 控制调腔机器人运动，满足镜片与谐振腔体之间的距离要求; 根据镜片与谐振腔体的姿态( θx、θy) 控制调腔机器人运动，保证镜片与谐振腔体的平行度。

　　在球面镜外形尺寸及安装效果一致性较好情况下，即可保证安装后的球面镜光胶面与 4 个微位移传感器测头所形成平面的夹角为一定值。那么可通过以下方法检测位姿: 1) 选用标准球面镜与谐振腔体光胶面完全接触( 即装配) ，记录此时 4 个微位移传感器的读数( 4 个微位移传感器测头所形成平面即为球面镜与谐振腔体光胶面所在平面) ，对其进行标定; 2) 实际调腔时，控制机器人运动到之前 4 个微位移传感器标定的位置处，以此保证球面镜与谐振腔体光胶面的平行度与距离。在设计和安装过程中，应使 4 个微位移传感器的位置关于原点相互对称，且轴线相互平行，以减小测量误差。