基于像差修正的同轴度测量方法

　　1 引言

　　同轴度测量技术也称轴对中技术,主要用于测量大型旋转机械两联结轴轴线的平行偏差(平偏)和倾斜偏差(角偏)。机械加工、电力、石化、航空等行业的众多设备都离不开使用旋转机械,这些机械轴系是否对中对设备正常运行有着至关重要的影响。因此在设备安装、日常维护和维修中都要进行同轴度测量[1-3]。

　　在同轴度的测量中,首先必须建立测量基准。自激光问世以来,由于其方向性好,能量集中,一直被认为是同轴度测量,尤其是长距离同轴度测量的理想基准[4]。由于激光器本身存在着温度漂移,同时激光束还要受到光线弯曲、大气抖动的影响,因此激光束的准直精度受到了很大的影响[5-6]。为提高准直精度,克服上述影响,人们做了大量的工作,并提出了很多有效的方案,如零级衍射同心圆法、不对称位相板法、海定格非定位干涉条纹法、激光光纤准直法、温漂量反馈控制法、共路补偿法等[7-12]。

　　然而,对于测量中的另一重要组成部分)光斑接收器的功能和精度问题,却并未引起足够的重视。本文提出了一种由接收物镜、分光棱镜和CCD构成的光斑接收器,与其他方法相比,该接收器具有如下优点:

　　(1)系统可以同时测量出平偏量和角偏量。

　　(2)通过对光学系统的分析,提出了一种光线追迹算法,显著地降低了像差带来的测量误差。理论模拟表明,在两套光路中,光斑采集位置处(即CCD位置处)的像差对最终光斑计算的误差都可以限制在1μm内。误差分析和实验数据表明,对于平偏测量范围D=±10mm、角偏测量范围αmax=±2°、接收物镜焦距为50mm、CCD尺寸为1.6cm(像素尺寸为:7.4μmx7.4μm)的系统,平偏测量精度可达0.02mm,角偏测量精度可达9.5''。

　　(3)对误差的分析表明,在设计系统时可以轻易地做到减小测量范围以增大测量精度或适当降低精度以增加测量范围。

　　2 测量原理

　　系统利用几何光学原理进行测量。如图1所示,激光发射器发出一束准平行细光束,接收物镜对这束光进行偏折,并利用分光棱镜(半透半反)将光束分为两束,两个CCD分别位于透镜后焦面处和与后焦面相距为t处采集光斑,再进行相应的图像处理和计算。

　　为了后续计算方便,上述光路可以等效为图2所示光路。利用CCD采集被棱镜分成两路光束的光斑等效为图2中只存在水平方向的一束光,CCD先后在透镜后焦面处和与后焦面相距为t处采集两幅光斑图像。同时,透镜和棱镜组成的光学系统由其两个主面代替,由于后续计算不涉及两个主面之间的光路,因而又可以将两个主面合并。