光學(xué)芯軸測量臺四點自動調(diào)平方法研究

趙紫寅　孔繁星　孫皓章　何騰飛　邵逸飛

摘 要 針對Wolter?I型芯軸裝調(diào)、測量過程中需要多次調(diào)平，時刻保持平衡的問題，研究了四點式自動調(diào)平方法。從機械、軟件兩個方面介紹自動調(diào)平測量臺，分析調(diào)平控制機構(gòu)以及相關(guān)軟件，用表面輪廓數(shù)據(jù)采集方法進行數(shù)據(jù)采集確定傾斜角，對“最高點不動”調(diào)平算法進行數(shù)學(xué)建模，對傾斜角的不同種情況進行仿真計算分析，計算隨機產(chǎn)生的傾角對應(yīng)的支腿移動量。實驗結(jié)果表明：該方法用5～7次即可達到調(diào)平目的，具有較高的檢測效率、調(diào)平精度和抗傾覆力。

關(guān)鍵詞 四點式自動調(diào)平 Wolter?I型芯軸 “最高點不動”算法 表面輪廓數(shù)據(jù)采集 傾角模型? 傾角坐標(biāo)解算分析

中圖分類號 TN934.85? ?文獻標(biāo)識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0238?07

高精度的調(diào)平工作臺是精密測量設(shè)備最重要的附件之一。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，高精度的調(diào)平工作臺在電子、航空航天、國防、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其在精密制造、測量等領(lǐng)域，一些伺服機構(gòu)、機器等對精密元件的精確度要求較高，其精確度直接影響伺服機構(gòu)和機器的可靠性，例如Wolter?I型芯軸［1，2］的裝調(diào)。Wolter?I型芯軸主要用于光學(xué)反射聚焦成像，其制作工藝復(fù)雜，需要車削、拋光、測量、裝調(diào)等過程，精密測量過程中，性能會因裝調(diào)過程中的位置誤差等因素而有較大影響，因此測量過程中需要進行多次調(diào)整。

20世紀70年代以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對精密調(diào)平做了很多研究。調(diào)平最開始是由人工手動調(diào)平［3］，這種調(diào)平結(jié)構(gòu)簡單，但受人為因素的影響很大，需要多次調(diào)平，耗時耗力且精度不高。DANGSCHAT H的專利Precision Adjustable Table采用三點式調(diào)平，通過轉(zhuǎn)動內(nèi)六角扳手調(diào)節(jié)螺栓與螺母的結(jié)合來實現(xiàn)測量工作臺的調(diào)平；BASIN N等研制的調(diào)平機構(gòu)是通過調(diào)整工件的傾斜角度來控制調(diào)平，控制方法是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿使工作臺上下移動［4］。國內(nèi)的上海微電子裝備有限公司首次研制出擁有專利技術(shù)的高精度快速調(diào)平裝置［5］，采用三點式電動調(diào)平，安裝簧片和彈簧，驅(qū)動電動馬達推動凸輪實現(xiàn)工作臺調(diào)平。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種超精密調(diào)平裝置，采用的是三點支撐調(diào)平，運用螺栓與楔形塊的結(jié)合，通過螺栓頂著楔塊上下移動實現(xiàn)裝置的調(diào)平［6］。2012年，西安交通大學(xué)研制出一種超精密的調(diào)平調(diào)心裝置，采用的是絲杠結(jié)構(gòu)推動工作臺底部的錐形塊上下移動實現(xiàn)調(diào)平目的［7］，這種調(diào)平裝置調(diào)平精度較高但加工工藝復(fù)雜。2019年，中原工學(xué)院的席建發(fā)明了一種磨削加工自動調(diào)整工作臺［8］，解決了當(dāng)前技術(shù)中自動調(diào)整轉(zhuǎn)臺造成大口徑零件加工精度低、不易調(diào)節(jié)的問題。

目前，國內(nèi)精密測量臺大多采用手動調(diào)平，采用凸輪或楔形塊構(gòu)成調(diào)平裝置。但國外技術(shù)已經(jīng)完全達到了自動調(diào)平的程度，目前比較先進的是英國Taylor Hobson公司發(fā)明研制的一種圓度儀工作臺［9］，該圓度儀的調(diào)平轉(zhuǎn)臺自動化程度很高，采用測頭檢測工件和轉(zhuǎn)臺中心線的偏移量，控制電機使中心線平行，進而達到調(diào)平的目的，圓度儀工作臺具有自動調(diào)平調(diào)心功能，機械十分復(fù)雜，價格也比較昂貴。

為實現(xiàn)Wolter?I型芯軸測量的自動調(diào)平，筆者提出一種運算簡單、抗傾覆性強的四點式自動調(diào)平方法，建立四點式調(diào)平傾角模型，給出傾角調(diào)整的坐標(biāo)解算方法和分析方法，并仿真分析不同傾斜角度下各支腿的移動位移量和最優(yōu)調(diào)平次數(shù)。

1 測量臺調(diào)平原理

1.1 機械結(jié)構(gòu)

精密測量臺轉(zhuǎn)臺從上往下，包括支架傳感器組件、載物工作臺、調(diào)平工作臺、支腿和旋轉(zhuǎn)工作臺，調(diào)平裝置設(shè)于支撐裝置和載物工作臺中間，調(diào)整系統(tǒng)示意圖如圖1所示，通過支腿的動作使工作臺保持水平狀態(tài)。傳感器組件包括設(shè)于支架上的測頭和傳感器，傳感器用于采集工作臺的傾斜角數(shù)據(jù)。

自動調(diào)平系統(tǒng)配備微位移驅(qū)動機構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由步進電機、減速齒輪和精密絲杠組成，步進電機是微位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)中不可缺少的關(guān)鍵性器件，用來控制支腿的高低從而實現(xiàn)調(diào)平。步進電機通過脈沖信號來控制運作，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速分別與輸入的脈沖數(shù)和脈沖頻率成比例［10，11］。

1.2 調(diào)平原理

如圖3所示，測量臺開始工作時，旋轉(zhuǎn)臺帶動工作臺與被測量工件一起旋轉(zhuǎn)，被測工件放置時盡量保持與工作臺同心。開始測量，被測工件旋轉(zhuǎn)，帶有傳感器的測頭即可采集到一圈數(shù)據(jù)，由于傳感器傳出的信號大多微弱且存在一定干擾，因此在傳感器采集數(shù)據(jù)之前，就必須對傳感器的輸出信號進行信號調(diào)理，其主要目的在于放大微弱信號并去除干擾信號，以確保較高的檢測準確度。信號被放大后，由于傳感器輸出的是模擬量而無法被識別，因此需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，便于上位機識別數(shù)據(jù)，所以進行了數(shù)據(jù)采集設(shè)計，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。數(shù)據(jù)輸送給上位機后，通過LabVIEW自控面板進一步控制電機旋轉(zhuǎn)，達到調(diào)平的目的。

2 調(diào)平算法研究

2.1 調(diào)平數(shù)據(jù)采集

由于工作臺是回轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)臺，被測工件隨旋轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動，因此設(shè)計采用表面輪廓數(shù)據(jù)采集方法，這種方法主要是通過傳感器測頭采集工件表面的離散點，用數(shù)字化方式得到被測工件的空間位置，傳感器測頭采用電感式測頭。在回轉(zhuǎn)型自動調(diào)平工作臺中，多采用效率較高的截面法，截面法是在工件不同高度進行旋轉(zhuǎn)測量，在工件的下方和上方進行一個雙截面測量，通過分析測得數(shù)據(jù)可知工件的傾斜位置和傾斜角。

數(shù)據(jù)采集采用等間距測量，采集數(shù)量越多得到的數(shù)據(jù)越準確，但采集數(shù)據(jù)過多會導(dǎo)致分析時間長，并且對控制精度的要求也較高，所以合適的采集點數(shù)對后續(xù)傾斜角的精度很重要。等間隔測量時，假設(shè)采樣間隔為θ（單位°），根據(jù)香農(nóng)采樣定律，可知采樣頻率f和模擬信號最高頻率f的關(guān)系為：f≥2f。

為了避免“混疊”現(xiàn)象導(dǎo)致信號失真，需要有一個有適當(dāng)截止頻率的抗混疊濾波器進行濾波。實際中，f=f/2.56（f為截止頻率）。根據(jù)標(biāo)準JB/T 9924—1999《磨削表面波紋度》的規(guī)定［12］，一般情況下，f取15 upr（即濾波后只留下15個波）。所以采樣點數(shù)N的估計值為：

2.2 四點式調(diào)平

目前常見的調(diào)平方式主要是三點式調(diào)平、四點式調(diào)平、六點式調(diào)平，國內(nèi)外一些光學(xué)器件的調(diào)平大多采用的是三點式調(diào)平。四點式調(diào)平即4條支腿保持平衡的一種調(diào)平支撐方式，四點式調(diào)平與三點式相比，調(diào)平算法和機構(gòu)雖然較為復(fù)雜，但因為四點式是對稱型結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，且抗傾覆力較強。

如圖4所示，三角形ACE為三點式調(diào)平平臺，ACDB為四點式調(diào)平平臺。F為兩個平臺的重心，F(xiàn)G和FH分別為三點式、四點式調(diào)平平臺的傾覆點間的距離。

三點式、四點式調(diào)平平臺的抗傾覆力矩M、M分別為：

以上為各支腿需要調(diào)整的高度值，通過電機控制支腿升高，就可以實現(xiàn)調(diào)平。

3 仿真實驗

3.1 軟件的總體設(shè)計方案

設(shè)計軟件的總體構(gòu)成是軟件開發(fā)的必要前提。筆者設(shè)計的自動調(diào)平軟件的組成如下：

a. 用上位機通過虛擬儀器LabVIEW編寫自動調(diào)平控制面板（圖7）；

b. 編寫用于調(diào)平的各項子程序。

自動調(diào)平軟件可以實現(xiàn)的主要功能有：數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)分析及輸出、電機控制。由于LabVIEW是實現(xiàn)核心程序最小化與模塊化的［14］，因此在整個設(shè)計流程中要始終遵循這一規(guī)則。按照每一個設(shè)計所實現(xiàn)功能的要求來對每一個模塊功能進行設(shè)計和調(diào)試。在LabVIEW的程序?qū)崿F(xiàn)中，采用由大到小的方式編寫，確定總體方案后再設(shè)計相關(guān)模塊并進行功能分析。

3.2 軟件模塊結(jié)構(gòu)

自動調(diào)平系統(tǒng)各個模塊的主要功能設(shè)計如下：

a. 數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)Wolter?I型芯軸測量數(shù)據(jù)的采集；

b. 數(shù)據(jù)處理模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析及輸出；

c. 電機控制模塊，實現(xiàn)支架上測頭位置和支腿位置的控制。

圖7所示的控制界面中，系統(tǒng)支腿操控面板上設(shè)計有z軸控制按鈕，可以控制z軸上傳感器的位置；右側(cè)分別設(shè)有“開始測量”、“數(shù)據(jù)采集”、“數(shù)據(jù)調(diào)入”與“保存數(shù)據(jù)”按鍵，用于采集被測工件表面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)調(diào)入保存后，通過分析，采用雙截面輪廓采集法得知傾角角度，先轉(zhuǎn)一圈獲得第一截面數(shù)據(jù)，求得圓心O1，再上升高度獲得第二截面數(shù)據(jù)，求得圓心O2，上下圓心相連獲得軸線，可以得到x、y軸的傾斜角α、β。右側(cè)還設(shè)有“自動調(diào)平”按鍵和“復(fù)位”按鍵。按下“自動調(diào)平”鍵后系統(tǒng)進入自動調(diào)平模式，通過“最高點不動”調(diào)平法控制電機進行調(diào)平，直至調(diào)平，自動調(diào)平流程如圖8所示。如果調(diào)平過程中出錯或者精度不夠理想可按下“復(fù)位”鍵，進行工件復(fù)位，再重新進行調(diào)平。

3.3 仿真分析

四點追逐式調(diào)平方法，采用“最高點不動”調(diào)平法，首先確定最高點，使用非水平狀態(tài)下的模型（8），令α、β為正。以α>0、β>0為例，支腿1為最高點，支腿3為最低點。支腿運動量的C語言程序代碼為：

void zuigao（uchar α，uchar β）

{

If（α>0&&β>0）//最高支點為1點

{

Z2=Lasin（abs（α））;//2點移動量

Z3=Lasin（abs（α））+Lbsin（abs（β））;//3點移動量

Z4=Lbsin（abs（β））;//4點移動量

}

}

根據(jù)4種不同的傾角情況，分別對模型中每條支腿的運動量進行仿真運算，結(jié)果見表1。

如圖9所示，對不同情況下傾角進行調(diào)平，可以看出，大概5～7次即可實現(xiàn)調(diào)平。

4 結(jié)束語

針對Wolter?I 型芯軸測量過程中自動調(diào)平的問題，在調(diào)平機構(gòu)中采用四點式調(diào)平，相對于三點式增強了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；采用雙截面表面輪廓數(shù)據(jù)采集方法確定傾斜角，比傳統(tǒng)的傳感器直接測量更為準確；建立了四點式調(diào)平傾角模型，給出了傾角調(diào)整的坐標(biāo)解算方法和分析方法；通過仿真分析計算出不同傾斜角度下，各支腿移動位移量和最優(yōu)調(diào)平次數(shù)。仿真實驗結(jié)果表明，四點式自動調(diào)平方法可有效實現(xiàn)Wolter?I 型芯軸測量過程中的自動調(diào)整，提高了檢測效率，具有較高的調(diào)平精度、較強的抗傾覆性能。

參 考 文 獻

［1］ KONG F X，SUN T，GENG Y Q.A precision polishing method for Wolter?Ⅰ type optical mandrel［J］.International Journal Advanced Manufacturing Technology，2018，101（5?8）：1293-1302.

［2］? ?KONG F X，SUN T，GENG Y Q，et al.Measurement method of Wolter?Ⅰ type mandrel based on a contact?type profilometer［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture，2019，233（32）：2173-2182.

［3］ DANGSCHAT H.Precision adjustable table：US，42780 31［P］.1981-07-14.

［4］ BASIN N，VYSOTSKY A，KUROCHKIN A，et al.Wolktable for positioning workpieces in measuring devices to check dimensions：US，3829978［P］.1974-08-20.

［5］ 上海微電子裝備有限公司.高精度快速調(diào)平裝置：CN101150042A［P］.2008-03-26.

［6］ 哈爾濱工業(yè)大學(xué).一種超精密平臺調(diào)平裝置：CN101876393B［P］.2010-06-09.

［7］ 西安交通大學(xué).一種用于超精密測量機轉(zhuǎn)臺的調(diào)心調(diào)平裝置：CN102607482A［P］.2012-03-26.

［8］ 中原工學(xué)院.一種磨削加工自動調(diào)整工作臺：CN110842767A［P］.2019-11-27.

［9］ Rank Taylor Hobson Limited.Workpiece position con? trol：US，4731934［P］.1998-05-22.

［10］ 李景慧，盛玉華，尚翠霞，等.高速精密壓力機及小松壓力機連桿外圓弧表面精加工探討［C］//黑龍江省機械工程學(xué)會.2002年黑龍江省機械工程學(xué)會年會論文集.2002：210-212.

［11］ WANG X K，HUANG W，JI F，et al.Structure design and optimization of levelling?tooling with high precis? ion［J］.Manufacturing Technology & Machine Tool，2013（4）：39-42.

［12］ 機械科學(xué)研究院.磨削表面波紋度：JB/T 9924—1999［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，1999.

［13］ WANG J J，ZHAO J Y，CAI W，et al.Leveling Control of Vehicle Load?Bearing Platform Based on Multisensor Fusion［J］.Journal of Sensors，2021（2）：1-7.

［14］ LI C.Design of a Multi?axis Motion Control Platform Based on LabVIEWs Fuzzy Control Algorithm［J］.Journal of Mechanics Engineering and Automation，2021，11（1）：11-16.

（收稿日期：2022-09-07，修回日期：2022-12-15）

Research on Four?point Auto?leveling Method for

Optics Mandrel Measuring Table

ZHAO Zi?yin1， KONG Fan?xing1，2， SUN Hao?zhang1， HE Teng?fei1， SHAO Yi?fei1

（1. College of Mechatronics Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology；

2. College of Mechatronics? Engineering， Hainan Vocational University of Science and Technology）

Abstract? ?A leveling table with high precision is one of the most important accessories of precision measuring equipment and Wolter?I mandrel measurement platform asks for many times of leveling operation so as to keep a balance at any time. In this paper， a four?point auto?leveling method was proposed and both leveling control mechanism and the software concerned were analyzed from two aspects of mechanics and software， and the surface profile data acquisition method was adopted to collect data and to determine the angle of inclination. In addition， the leveling algorithm of the“highest point fixed” was modeled and the si? mulation calculation was carried out and the leg movement corresponding to the randomly generated dip angle was calculated. The experimental results show that， this method can achieve the leveling purpose through 5 to 7 times of operation and it has high detection efficiency， leveling accuracy and anti?overturning force.

Key words? ?four?point auto?leveling， Wolter?I mandrel，“highest point fixed” algorithm， surface profile data collection， dip angle model， calculation and analysis of inclination coordinates

基金項目：吉林化工學(xué)院博士啟動基金項目——基于激光輔助加工的化學(xué)鍍鎳材料復(fù)合拋光技術(shù)研究（吉化院博基合字〔2021〕第031號）。

作者簡介：趙紫寅（1998-），碩士研究生，從事過程檢測技術(shù)及自動化裝置的研究。

通訊作者：孔繁星（1975-），副教授，從事智能制造、超精密加工及檢測技術(shù)的研究，fanxingks@163.com。

引用本文：趙紫寅，孔繁星，孫皓章，等.光學(xué)芯軸測量臺四點自動調(diào)平方法研究［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：238-244.