[发明专利]极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水平镜面倾角测量装置及方法，具体涉及一种可以测量处于一定区域内水平镜面的倾角或平行度的极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及方法。

背景技术

在某些具有特殊要求的光学实验室中，使用多个反射镜构成阵列，各个反射镜安装高度各不相同，本身角度可以根据需要改变，但要求反射镜法线相互平行或与当地重力垂线平行，如图1所示。这就需要一种能够快速测量各个位置反射镜法线方向的测量系统。另外，由于宇航技术的发展，需要在地面模拟太空低重力或零重力环境，以使那些只能在低重力工作环境下工作的机械手、巡视器或空间站模型能够在地面上也能工作和测试。为实现此目的，一种常用方法是使用吊索对被测工件重力进行补偿。而如何保障吊索始终与重力垂线平行或如何高精度地测量吊索对重力垂线的偏角，则是此类系统面临的一个重要问题。一种测量方法是在钢索上垂直安装反射镜，如图2所示，并能够在被测工件在一定区域内运动时，对镜面法线方向偏斜进行实时测量并进行控制，使其始终垂直向上。该方法依靠这水平镜面反射的方式保证吊索与重力垂线平行。然而镜面在动态过程放置是否始终处于水平却无法测量，这将会导致吊索与重力垂线产生无法消除的偏角，因此水平镜面的测量在实际应用中有着重要的价值。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，有效提高测量精度，本发明提供了一种极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统及测量镜面倾角或平行度的方法。本发明主要应用于镜面阵列平行度测量、镜面法线与重力垂线的偏角测量和重力卸荷系统的吊索偏离重力垂线的方位角测量，是镜面阵列控制系统和吊索式重力卸荷系统的重要反馈方法和初始校准方法，在整个控制和装调过程中发挥着重要的作用，由于其无干扰和实时测量的特性，对于保障系统性能指标起着至关重要的作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种极坐标式无接触水平镜面倾角测量系统，其框架结构为极坐标运动形式，由立柱、止推轴承、旋转臂、调整装置、负载平台、光学测量系统、伺服电机、圆弧导轨、气浮导轨和直线电机组成，其中：极坐标原点处由立柱支撑，立柱顶端安装有止推轴承，旋转臂一端通过止推轴承固定在立柱上，另一端通过导轨副架在圆弧导轨上，旋转臂可由伺服电机驱动绕立柱顶端的止推轴在水平面内旋转，旋转臂上安装有气浮导轨、负载平台和直线电机定子，负载平台由直线电机驱动沿气浮导轨滑动，所述光学测量系统由激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI、CCDII、滤光镜与镜头组I、滤光镜与镜头组II、参考反射镜和被测反光镜组成，激光器I、激光器II、分光镜I、分光镜II、CCDI和CCDII安装在负载平台上，参考反射镜位于止推轴上方并与止推轴固联，调整装置位于参考反射镜顶部；激光器I射出的光束经分光镜I分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组I直接进入CCDI，另一束入射到被测镜面上，经被测镜面反射后回到分光镜I，再次被分光镜I反射后经滤光镜与镜头组I直接进入CCDI；激光器II射出的光束经分光镜II分为两束，一束测量基准光束经过滤光镜与镜头组II直接进入CCDII，另一束入射到参考反射镜上。

上述装置中，所述参考反射镜的轴与旋转臂的轴同轴安装且用弹性联轴器固联，以使调整可行；参考反射镜轴下端采用调心轴承固定，上端为调整装置，参考反射镜可通过调整装置调整，使其旋转过程中法线始终处于水平面内；旋转臂轴上端采用轴承固定，下端采用止推轴承固定。

利用上述装置测量水平镜面倾角的方法，包括以下步骤：

一、保证旋转臂轴线与当地重力垂线平行，具体操作如下：

1）在任意位置调整光学测量系统中各光学模块的调平螺栓，使其水平；

2）直线电机处于位置伺服状态，且保持位置不变，控制伺服电机驱动旋转臂由最左端A点旋转至最右端B点；在A点、B点记录参考光产生的CCDII读数，在B点调整调整装置，使B点读数达到调整前A点B点读数的平均值；

3）重复2），直至A、B两点读数相同；

4）使旋转臂旋转到A、B的中点，调整调整装置，直至该点读数与A点相同；

5）重复2）~4），直至三点读数相同。

二、当旋转臂轴线与当地重力垂线平行后，开始测量水平镜面的倾角，具体操作如下：

1）分别读取CCDI中的测量基准光束与通过被测镜面反射后进入CCDI的反射测量光束。

2）若反射测量光束与测量基准光束不重合，通过CCDI测量它与测量基准光束成像点的距离和方位，即可测出被测反光镜偏角及偏斜方位。