应用于定心车削的光学检测技术 

应用于定心车削的光学检测技术 

曹礼宝,郭中原 ,秦琰,胡丙阳

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一、项目概述

光学检测系统是高精密光学定心装调数控单元实现定心检测、调整及加工功能的重要保证，通过光学检测系统的两组准直测量仪，可实现透镜组镜片中心偏心、倾斜的高精度检测；检测系统是实现镜片定心加工的必要前提条件，本项研究内容主要为构建中心偏检测系统，实现光学镜托定心加工过程中，对被测产品可以在线测量以及在线加工后成品复测检验。提高加工精度和加工效率，使透镜光轴和光学系统机械结构的基准轴可以实现最佳匹配。

二、项目完成情况

1、定心车测量光轴测量模块主要功能如下：

a)实现了具有四维调节功能的万向卡座；

b)实现了高精度自动计算球心像偏心量功能；

c)实现了图像实时显示功能；

d)实现了自动变焦功能；

2、项目成果及技术指标

2.1项目成果

a)数字内调焦测量系统1套；

b)附加镜头转塔1个；

c)升降模组1个；

d)光纤光源2个；

e)万向卡座1个；

f)延长筒（含附加镜头）1套；

g)可二次开发的软件库1套。

2.2技术指标

2.2.1数字内调焦自准直仪

三、详细项目方案和实施过程

1. 项目方案

项目采用2台数字内调焦自准直仪，左端一台安装于车床主轴后端，测量光轴通过反射镜转折光路，穿过主轴的中空轴与车床主轴共轴，在左侧进行测量，左侧中空轴还可安装中空的延长筒，方便某些测量模式中附加镜的安装切换；右端一台位于高精度车床导轨之上，出光口朝向主轴高精度车床车削位置，在右侧进行测量；万向卡座与高精度车床主轴紧固连接。附加镜头转塔安装于车床的自动刀架上，可在万向卡座与右端内调焦自准直仪之间按要求自动移动，其目的是测量初始基准位置和测试过程中切换需要的附加镜头。

2. 实施过程

2.1定心工作过程

使用数字定心车测量系统对产品定心主要分为偏心检测，定心调节，车削三步。具体内容如下：

第一步 偏心检测，将定心产品夹持在车床万向卡座上之后，控制数字内调焦自准直仪分别对定心产品左右两个面的球心成像。然后转动车床主轴使定心产品以机床主轴为基准转动，由于定心产品光轴和机床主轴存在偏心，球心1、2就会绕机床主轴形成偏心圆，使用数字内调焦自准直仪分别测量左右两个面球心的偏心圆大小即可测得偏心结果，球心成像和偏心结果可实时呈现在软件界面。

第二步 定心调节，根据检测结果，调节万向卡座的八个调节旋钮对定心元件光轴进行角度调节和平移调节，直至定心元件光轴与车床主轴重合，这样就完成了定心调节。

第三步 车削外框，定心调节完成后，控制车床转动主轴，车床刀头对定心产品外框进行车削，车削完成后定心产品外框机械中心和产品种光学透镜光轴重合，定心完成。

2.2定心车测量系统光路设计

2.2.1数字内调焦光管

数字定心车使用变焦光学系统（内调焦准直光管），附加部分中继镜头形成全量程的定心测量系统。主要使用内调焦自准直仪进行定心测量，在使用内调焦系统来实现被测球面定心测量时，利用其连续变焦的光轴分布，大部分曲率无需使用中继镜头，操作更加便利。使用中继镜头对变焦系统的盲区进行补充达到全量程的测量。

该光路图为内调焦系统的光路模拟图。内调焦是通过移动一组变焦物镜来进行调焦的。位于物镜和CCD之间的调焦镜置于导轨之上，当其位置发生变化时，系统的焦距也随之变化，从而实现系统的焦距调节。将内调焦原理和光电自准直仪相结合就可以构成内调焦光电自准直仪。

2.2.2测试精度指标分析

AIM-IF-Base型内调焦自准直仪选用的是1280*1024的探测器，像元大小为5.2μm，系统焦距为376mm，光学系统采用的目标是“十”字分划暗场亮线光学目标，线宽是20μm。

为了达到线宽20μm线宽“十”字分化目标成像锐利、清晰、各个视场成像一致，从设计角度使得分辨率（MTF曲线）尽可能的提高，从高低频空间频率来看，成像保证了轮廓清晰，对比度差异很高，并且每个视场的分辨率曲线基本一致。

像场的畸变对于目标在探测器面上的位置的测量是直接的线量累加，畸变量多大，直接测量的误差就是多大。0.0003%的最大畸变量换算到系统角精度误差为0.013″。

通过采取对自准直仪光学系统的设计优化保证了系统精度和重复性满足要求，并且该型号经过第三方检定机构检定对自准直仪精度进行验证。验证结果自准直测量精度：±20″内优于0.5″，±600″内优于1″；重复性≤0.1″。

2.3定心车测量系统结构设计

通过对项目需求的分析，从硬件稳定性、装配精度、操作空间、以及操作平台扩展通用性等多个方面因素考虑，同时进行了初步的原理性论证以及对原有人工装配工艺流程分析。综合上述情况对定心车测量系统进行了机械结构设计，共分为4部分：

2.3.1万向卡座

万向卡座与高精度车床紧密连接，用于安装被定心透镜元件，同时根据被定心透镜偏心量利用万向卡座的四维调节功能对被定心透镜消偏心，即使透镜光轴与高精度车床的转动轴系共轴。

2.3.2附加镜头转塔

在数字内调焦自准直仪变焦盲区，将附加镜头自动切换置于数字内调焦自准直仪前，辅助测量小曲率定心透镜偏心。

根据光学设计，附加镜头共需要四个。共设计了五个孔位，其中一个为预留孔位。

2.3.3升降模组

升降模组的作用是带动反射镜上下运动，方便反射镜再测试光路中切入切出，让开位置，使得延长筒可以从车床左端中空轴中取出来更换所需附加镜头。

由于机床内部空间有限，因此我们为机床主轴后端的内调焦自准直仪设计了一套转折光路。考虑到操作过程中需要进行延长镜筒的切换，因此选用行程100mm的升降模组。

2.3.4光纤光源

    光纤光源的作用是为数字内调焦准直光管提供稳定光源，并能根据测试镜片特点进行亮度调节。

2.4测量控制软件

定心车测量系统控制设计

定心车测量系统由上位机控制软件完成对于测量主机的控制，图像采集，光源控制等。上位机软件作为控制总成，控制箱作为测量主机的硬件驱动中枢，实现测量主机进行变焦控制，并将采集到的图像等数据反馈至上位机，由上位机根据图像判定目标以及控制光源进行合适的调节。使得自动定心实现完全自动化成为可能。

2.5定心车测量系统软件和二次开发库设计

基于定心车测量系统要实现的功能，设计了以下的流程：

基于以上流程图，设计了接口函数，开发者通过调用以下接口函数，就可以完全实现我们预先设计的控制流程和功能模块。

四、项目研制结论总结

研制完成的定心车测量系统能够与数控车床进行有机结合，可实现在线透镜定心加工。为在线精确调整，实现透镜光轴和光学系统机械结构的基准轴实现最佳匹配关系提供数据依据。

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