大型经纬仪轴系晃动的傅里叶谐波分析方法.doc

电视内调焦定心仪及其应用发布时间：2012-07-19来源：互联网0浏览次数：145 | 我要说几句 | 提高LabVIEW开发速度25技(英) 2012第三季度NI仪器仪表季刊 NI 2012毕业设计竞赛获奖论文 LabVIEW 2012评估版软件 介绍一种新型的电视内调焦定心仪的原理、结构、主要技术参数、仪器的特点和应用。摘要：介绍一种新型的电视内调焦定心仪的原理、结构、主要技术参数、仪器的特点和应用。引言目前在光学零件的磨边、胶合、检验以及装校中,经常碰到较长的曲率半径(R=500mm以上),以往的定心仪焦距较短、倍率较低,经常不能满足长曲率半径光学零件定心、测试和调整的精度要求。我们在内调焦望远镜的基础上,设计了一种新型的电视内调焦定心仪。1仪器的工作原理1.1光学系统原理定心仪的光学系统如图1所示。灯泡5发出的光,经聚光反射镜6和聚光镜4照明球面反射镜分划板3,分划板的十字线经调焦镜2和固定组1成象于无穷远处。如果改变调焦镜的位置,那么分划板的象可以从+调到+441mm,从-调到-289mm(该尺寸指工作距离)。如果某一被检光学表面的球心正好处于同分划板象重合的位置时(平面则可以认为是半径为无穷大的球面),光线将被该镜面反射,反射光又经过内调焦系统后成象在球面分划板的表面上,该象再经过显微物镜7和转向反射镜8成象于CCD摄象机靶面(或目镜分划板)上,观察者通过监视器或目镜可看清这个象。如果被检光学表面的球心有一微小的变动量a,见图2 ,则反射象改变2a,这个量经定心仪系统放大后为,则球心的变化量为式中面倾角,();a被检光学表面球心到基准轴的距离,(mm);R被检光学表面球半径,(mm);定心仪的放大倍率;i内调焦系统放大倍率;c转象显微物镜放大倍率;f0内调焦系统出射平行光时的焦距,(mm);ft内调焦系统出射平行光时与转象显微物镜的组合焦距,(mm)。为了适应不同精度的测量和不同场合下的使用,转象显微物镜可以更换,CCD摄象机与目镜之间也可以方便地更换。目镜可选用双向测微目镜、单向测微目镜或定中心目镜。测微目镜的精度为0.01mm,定中心目镜分划板格值为0.2mm。用CCD摄象机测量时,监视器屏幕上显示有电信号产生的测量分划线,分划线格值也是0.2mm。调焦指示系统见图1,13是调焦指示刻尺,刻尺与调焦镜联动,刻尺上分别刻有调焦镜不同位置时内调焦系统的倍率和工作距离。为了满足盲区(-289mm+441mm)内的定心测量,仪器配有七组可换附加物镜。此外,还配有带孔物镜和刻有十字丝的反射镜各一块,这两个附件用于仪器的自检和调整。1.2电气工作原理电视内调焦定心仪电气部分是用电视方法产生测量分划线和井字线,并用井线来设置和显示被测件的公差带。它主要由CCD摄象机、分划线和井线产生器、监视器三部分组成。被检光学表面的反射象成在CCD摄象机靶面上并转换成电信号,和测量分划线及井线信号叠加起来,显示在监视器屏幕上。可以用分划线测量反射象的偏差量,也可以用井线设置公差范围。图3和图4分别给出了电视内调焦定心仪的监视器屏幕示意图和电气原理框图。同步发生器输出的行同步脉冲HS触发两个垂直线位置脉冲产生器,产生两个延迟时间为755s的位置脉冲,用它们分别触发垂直线宽脉冲形成器,形成两个0.1s的垂直线宽脉冲。场同步脉冲VS触发两个水平线位置脉冲产生器,产生两个延迟时间为118ms的位置脉冲,用它们分别触发水平线宽脉冲形成器,形成两个宽度为52s的水平线宽脉冲。为了在监视器上显示分划线刻度,首先要把分划线的数据以点阵方式放进存储器中,然后通过计数与控制逻辑控制每个电视场,从存储器逐一读取各行各列上的不同位置的点阵数据,并经并串转换电路将分划线点阵信号加到混合器2。视频处理器将CCD摄象机输出的光学图象进行箝位放大,然后和混合器2输出的信号在混合器1叠加起来显示在监视器上。通过改变水平线和垂直线位置脉冲的延迟时间,可改变井线井口大小,从而改变公差带的设置范围。改变亮度调节电路的增益可改变井线和水平分划线的明暗程度。井线还可以黑白反转和取消。2仪器的主要技术指标3仪器的特点1)调焦范围大,附加物镜齐全,对任何中、短半径及长半径的光学零件均可适用,不仅可以用于滚边、胶合、检验、装校,而且还可以作为中等精度的定线仪器;2)可以根据不同场合选择目镜测量和电视测量,目镜测量精度高,电视测量直观、方便、劳动强度低;3)倍率可灵活改变,大倍率测量精度高,小倍率视场大,找象更容易;4)目标采用暗背景亮线,对比度好,亮度连续可调,适用于高增透膜光学零件和胶合零件的定心、检验以及面数较多的光学系统的装校定心、检验;5)看不见表面象,可以避免找错象;6)电视测量时,公差带标记(#线)的每条线在监视器上的位置独立可调,线条亮度可调,并能黑白反转和取消。4仪器的典型应用电视内调焦定心仪可做为平行光管、测微自准直仪、长工作距离显微镜、内调焦望远镜,在光学车间或光学实验室的光学装配、调整、检验等方面得到广泛应用。(1)做测微自准直仪或平面的滚边定心、胶合定心等,此时仪器应调焦于无穷远。做测微自准直仪时,被测角按下式计算:(2)做内调焦望远镜使用,可作为中等精度的定线仪器,也可用于各种球面镜及球面镜和镜头之间的共轴调整。(3)不加附加物镜直接测量-289mm ,+441mm+范围内的各种透镜球心象。(4)加附加物镜测量-289+441mm范围内的各种透镜球心象,此时内调焦系统调到无穷远位置,静止法和旋转法测量的公式分别同(8)和(9)式,但如果被测面与仪器之间还有光学系统,不能直接用上述公式计算,还要考虑中间光学系统的倍率和偏心对测量的影响,详见参考文献3,4。结束语电视内调焦定心仪的调焦范围在同类仪器中是最大的,公差带设定功能属国内首家研制,是传统的通过目镜读数的磨边定心仪的理想换代产品。该仪器已使用在航天工业总公司八三五八所的双光路磨边定心机床上,效果很好。致谢：感谢航天工业总公司八三五八所回长顺高级工程师对该项工作的大力支持。参考文献1魏全忠等.OEA-1电视自准直仪的研制及应用.光学技术,1998, (3 ):252王肇勋.ZX-3型内调焦对心器研制工作报告.光学工程,1984,11(5):11243王肇勋.整组物镜各面偏心差的测量.光学工程,1980,7(1):1114王肇勋,魏全忠.整组物镜各面偏心差的测量(续).光学工程,1984,11(5):3240本文作者：魏全忠叶华寿大型经纬仪轴系晃动的傅里叶谐波分析方法发布时间：2012-07-19来源：互联网0浏览次数：142 | 我要说几句 | 提高LabVIEW开发速度25技(英) 2012第三季度NI仪器仪表季刊 NI 2012毕业设计竞赛获奖论文 LabVIEW 2012评估版软件 详细介绍了用傅里叶谐波分析方法对大型经纬仪的水平轴晃动误差和垂直轴晃动误差的来源进行分析并采取改进措施,以及对经纬仪测角误差的修正方法。摘要：详细介绍了用傅里叶谐波分析方法对大型经纬仪的水平轴晃动误差和垂直轴晃动误差的来源进行分析并采取改进措施,以及对经纬仪测角误差的修正方法。1大型经纬仪轴系弹性变形的力学分析众所周知,大型经纬仪轴系(视轴、水平轴、垂直轴)的机械零件制造误差和安装调试误差对经纬仪的测角精度有影响。但是机械零件的刚度不足而引起的弹性变形也将对经纬仪的测角精度有影响,必须给予重视。大型经纬仪的机械零件强度不是问题,应力都远小于零件强度许用值,主要是刚度问题,例如,水平轴在不对称载荷作用下,其不对称的弯曲变形对视轴在高低角090的照准差有影响,视轴在空间扫描一条斜线(视轴晃动)。再如水平轴的径向轴承间隙将促使水平轴的随机晃动,因而对水平轴的倾斜误差及视轴的照准差都有影响。当经纬仪在偏心载荷作用下而发生的垂直轴晃动将对水平轴的倾斜误差有影响,对视轴的高低角测角误差也有影响,等等,不一一例举。关于大型经纬仪轴系的机械零件弹性变形的力学分析计算请详见文献1。今举例,某经纬仪的水平轴受力情况如图1所示3。由于图1中的水平轴受力情况是非对称的,其中左右两个径向滚珠轴承承受的支反力为RA=8702N,RB=5900N,所以水平轴的弯曲变形也是非对称的,因而也影响到视轴在高低角090范围内,视轴的照准差是变化的。在高角为0时,视轴照准差调试到0,而转到高角为90时,视轴就偏向一方。现分析如下。这说明当高低角为90时视轴向右偏转0.22,可用T4经纬仪标定检测,也可以用天空星体检测视轴晃动。由水平轴挠曲轴线的三个转角数值判别-3.79,-0.22,4.66可知转角为0的点是在l2l之间,也是梁的挠曲度最大的点。为了减小这种影响,需要加大水平轴的刚度及左右轴头与水平轴体(四通件)联接刚度,使水平轴弯曲变形减小,或在水平轴上加配重,使水平轴承受对称载荷。(注:前面的算例中取弹性模数E=20.58106N/cm2,轴颈的外经内径=200mm100mm。)为了减小水平轴随机晃动,除了增加水平轴的刚度,提高径向滚珠轴承的制造精度之外,还需要采用过盈配合,消除钢球与轴承环之间的间隙。例如某大型经纬仪设计时考虑了过盈配合,但过盈量只有0.0070.009mm,而实际上钢球与内、外环接触压缩变形量(用弹性力学盖尔兹别辽耶夫理论公式计算)为=0.0212mm0.0164mm(见文献1),因此水平轴在载荷作用下径向轴承仍有间隙0.0090.012mm,这也促使水平轴增加了随机晃动的自由度。为要消除轴承的间隙,需要采取大于0.0212mm的过盈配合。关于经纬仪重心置中度的测量如图3所示。用一个压力传感器置换调平机构3,再使经纬仪围绕垂直轴旋转,测得最大压力W1和最小压力W2。设经纬仪总重量是W,调平机构分布在半径R=500mm的圆周上,偏心距为a1,则由下式中可以求得W和a1。假如经纬仪底盘断面设计成箱形结构的铸件,其断面尺寸取宽高壁厚=300mm200mm15mm,铸铁弹性模数取11.2104N/mm2,剪切模数取44.1103N/mm2,把已知数值代入上式中计算得底盘局部最大下陷弯曲挠度约为0.0008mm,倾角约为0.33,因而引起垂直轴晃动。为减小垂直轴晃动,可采取增加底盘刚度,减小低盘弯曲变形,或者采取加载平衡措施,使底盘承受对称载荷。总之,对这些零件的弹性变形进行力学分析计算,由于零件形状的复杂性和材料的不均匀性,很难做到准确的计算。所以最终还是要用检测方法,测出经纬仪轴系的变形大小,再用数学工具进行分析误差的来源,采取改进措施。2大型经纬仪轴系晃动的傅里叶谐波分析2.1水平轴晃动的傅里叶谐波分析检测方法是在水平轴端面安装一个可调的平面反射镜,再用0.2自准平行光管对准平面反射镜。水平轴从0360旋转两周后,再反转两周(连续转动两周的目的是为了消除钢球滚动速度梯度的影响,并取4次平均值以平滑滚珠轴承的双周晃动影响,因轴的转速是钢球转速的两倍),每隔30测一个数据,分别测出水平轴晃动在高低方向的分量(将影响水平轴倾斜误差i)和在水平方向的分量(将影响视轴照准差的误差C),再展开成傅里叶级数并进行谐波分析,找出晃动误差来源,采取措施减少之。设某大型经纬仪的水平轴晃动在高低方向分量yii和水平方向分量yci测得值如表1(参看文献2)。一个以2为周期的周期性函数展开成傅里叶级数为根据实测的水平轴晃动高低分量求出的5个谐波函数值列入表2中,并且根据谐波函数值作图5。求出的五个谐波函数值列入表3中。根据实测值用傅里叶级数进行谐波分析,从表2和图5及表3中可以看出,常数项a0/2是说明平面反射镜与水平轴不垂直,是常量,从测试值中减掉即可,不影响谐波分析精度。一次谐波是说明径向滚珠轴承内环与外环(外环固定不转动)不同心,最大偏心量只有0.1,影响不大。二次谐波是说明径向轴承内环的椭圆度及水平轴体的弹性变形,但影响不大,晃动误差只有0.175和0.06。从表2和表3中还可以看出水平轴体在载荷作用下对水平轴晃动高低方向影响大,而对水平方向影响小。这说明水平轴体(四通件)刚度不足,或左右轴头与水平轴体联接刚度不足,需要改进。三次谐波说明水平轴体刚度不足,或是水平轴轴承内环呈三角形状,需提高机械加工精度。但是晃动误差只有0.25和0.183,影响不大。四次及高次谐波属随机晃动,小于0.1,影响较少,可以不考虑。在经纬仪测角误差修正时,因为水平轴晃动高低分量影响水平轴的倾斜误差i,需要从i中减掉yii,但要注意方向性。水平轴晃动水平分量影响视轴照准误差c,需要从c中减掉yci,也要注意方向性。最后,需要强调的是,如果不是为了分析水平轴晃动误差来源,不必求出一、二、三次谐波函数,可以用实测的数值减去常数项a0/2之后,直接用于经纬仪测角误差的修正,但必需注意误差的方向性及高低角。2.2垂直轴晃动的傅里叶谐波分析垂直轴晃动误差的测试也分为两个方向。把0.1电子水平仪的轴线与经纬仪水平轴相平行放置在转盘上,测试值是垂直轴晃动沿水平轴方向的分量Vii,将影响水平轴的倾斜误差i;把0.1电子水平仪的轴线与经纬仪水平轴垂直方向放置在转盘上,测试值是垂直轴晃动沿水平轴垂直方向的分量VEi,将影响视轴高低角测量误差。设某经纬仪垂直轴晃动的两个分量测试值列入表4中1。根据实测的垂直轴晃动分量VEi数值求出傅里叶级数的常数项及五个谐波函数如下:同样,最后还要强调一句,如果不是为了分析垂直轴晃动误差的来源及采取减小晃动措施,可以根据实测的垂直轴晃动分量Vii和VEi中减去常量a0/2之后,可直接用于经纬仪测角误差的修正,但必需注意误差的方向性和方位角。还可以利用求出的谐波函数,用计算机对经纬仪测角误差进行实