这几天，我都在写PPT。 写什么呢？ 主要是写机器的校准流程。 因为最近给华为做的测试平台完成了，给布线部门提供了一份布线资料后，就开始写机器的校准了。 这次，用到的校准工具包括自动准直仪，以及与之相配的分光镜，当然还有确定高度的激光位移传感器，以及一些校准玻璃和工件。 东西不多，但是价格却不便宜，算下来大概要十多万。 对我这种不怎么花钱的人来说，这够我花个两三年了。 这，我是不是应该去卖仪器？ 开个玩笑。 说起准直仪，其实之前也用过。 但是，它的原理是什么？在机械领域有哪些典型的应用？ 这就是今天我要说的。 准直仪，顾名思义，就是看目标垂不垂直，和谁垂直？和准直仪的光轴垂直。 所以它是校准，或者测量角度的仪器，原理是什么呢？ 看图说话。
自动准直仪的原理 在准直仪内部，光源Illumination（一般为LED或者激光）发出的光，照射到目标刻线Object Reticle上，而后到达分光镜Beam Splitter，并被反射到物镜Objective Lens上，然后从准直仪射出，打在反射镜上。 Beam Splitter，其实严格来说，应该翻译成分束器，不过我觉得分光镜更直观，所以本文就用这个词。 如果反射镜和光轴垂直（如图中竖直红色线），那么刻线被反射回去，按照红线路径，通过物镜后，穿过分光镜，到达成像平面Image Plane的原点。 如果反射镜倾斜一个角度α，那么刻线将按蓝色路径反射回去，最终不会落在像平面的原点，而会落在距离原点为d的位置。 需要注意的是，倾斜镜子反射回的光，与原来光轴夹角不是α了，而是变成了2α，为什么呢？ 看一个放大图就清楚了。
根据几何关系可知Tan2α=d/f，对于小角度偏转，数学上有2α=d/f，即α=d/2f。 所以，可以根据像平面上的十字刻线移动量，来测量镜子的偏转角度。 当然，实际的自动准直仪（Autocollimator），像平面上是成像传感器，可以探测返回刻线的偏移量。 而且镜子放置在待测物件上，一般返回刻线的偏移，是X，Y方向同时偏移，所以d＝√（X^2+Y^2）。 如果要用于测量或者校准，可以先把准直仪放在可调整平台，调整初始位置，使得返回刻线和零位重合，再移动镜子测量其角度变化，进而反应出待测量。 原理就这样。 说说我最近的使用案例吧。 我是用自动准直仪，来校准几个目标的平行度。 原理如下图。
准直仪校准平行度的原理 首先是设定基准0，就是用激光位移传感器来测量目标0的底面，使得其高度在345mm±30um范围以内。这里的激光位移传感器重复性是2um。 然后以此为基准，调整准直仪：把分光镜单元和自动准直仪底座，固定在同一个部件上，分光镜单元不动，准直仪底座可以调整。 通过调整底座，可以使准直仪发出的刻线光，经过分光镜，打在位于基准目标0上的反光玻璃面上，然后反射回准直仪原点。 此分光镜单元，包含一个分光镜和一个反射镜。 左边是一个分光镜，右边是一个反射镜。 什么是分光镜（Beam Splitter）？
分光镜／分束器 分光镜就是把一束光，分成两束光的光学元件。 其原理也很简单，说穿了就是反射和折射。 例如我这里，把从左边进入的光线，分成向右的透射光束，和向下的反射光束，各占50%的光（B270超白玻璃并镀膜）。 向右的光束再经过反射，向上打在待测定的目标1上。 而向下的光束，直接打在待测定的目标2和3上，2和3分别单独测定。 然后校准3个目标，准直仪和分光镜固定不动，分别调整3个待校准目标的倾斜度，使其返回的十字刻线，回落在准直仪的原点，校准完成。 当然，这里是通过相机传感器抓取图像，然后在软件上显示的原点。 准直仪测量精度是3.3arcsec，也就是3.3/3600=0.00091667°。 细心的你，也许会问，既然可以用激光位移传感器来校准目标0，那么为什么不直接用激光传感器来校准目标1，2，3呢？ 这个问题，问得很好。 其实，这里的目标1，是很大的玻璃，有点像我之前在同步带那篇文章中所提到的玻璃。 对于目标1，是可以使用激光位移传感器来测量校准的。 第一， 测量精度够用，而且测量高度在传感器的测量范围以内，250mm～1000mm。 第二， 因为玻璃可以反光，同时它体积大，可以测量多点。 第三， 在机器底板上有放置传感器的空间，容易实现测量。 但是，对于目标2和目标3，就不那么容易了。 因为目标2和3都是6自由度运动轴，校准的目标是找到运动轴在哪个位置时，末端的夹子或者吸嘴处于水平状态。 所以激光位移传感器不太适合了，反倒是准直仪更适合。 校准也只需要用很小的玻璃，放置在校准工具上就可以了。 当然，水平校准，只是整个校准中的一部分。 其实全部的校准，还包括中心对准，以及一些关键工艺的工艺位置校准，不过是用其他的校准工具来完成的。 比如目标1的中心对准，是用位于目标0上的相机校准工具，来看目标1上的特征，如果不在中心，就移动特征（这里更关心的是特征位置，而不是玻璃板的位置）。 目标2和3的中心对准，是用位于目标0上的相机校准工具，向下看位于2和3上，有一定特征图案的校准玻璃来完成。 既然都说到这里来了，我想多提一点，上面有说到，准直仪和目标平台，都是需要调整倾斜度的。 但是，它们的调整方式有些不一样。 准直仪和平台1是手动调整，平台2和3是运动轴自动调整。 说说手动调整结构吧，因为这些结构，在很多需要调整的地方使用频繁，通用性强。
平台1调整结构 平台1的倾斜度调整结构如上图。 被调整目标放在被调整板上，调整前，锁紧螺母和锁紧螺钉处于放松状态，拧动调节螺钉，可以改变调整板在此点的高低，从而实现倾斜度的调整，调节螺钉调到恰当的位置后，拧紧锁紧螺母和螺钉。 当然，下面的第二种结构，我们很多时候也会用到，它常常用于结构紧凑，且重量不是很大的调节中。 是不是很简单。 准直仪倾斜度调整结构的原理，其实和我之前在《机器人末端的快换装置，有哪些设计要点？》中提到的结构V1.0，有相同的定位原理。 就是用三个V形槽，和端部带球面的调整螺钉配合调整Rz，Ry角度，只不过这里用压簧做预压而已。 上面说了我这次校准的应用，其实，准直仪还有更多的应用。 上次我写完滚珠丝杠，就有伙伴在后台留言，问我导轨的平行度怎么测量。 当时我说，我了解得也不是很多，让他去了解一下，然后告诉我，不知道这个伙伴后来有没有去了解。 因为这次我写这个校准流程，自然就多了解了一下准直仪的应用，发现其实可以用它来测量导轨的平行度。 当然还有一些其他更多的应用，我在这里记录一下，也方便下次需要时使用。
如何用准直仪测量直线度？ 把准直仪固定，反光镜放置在需要检测的表面上，沿着测量方向上，每次移动反光镜相同的距离，例如50mm，在准直仪上读出刻线的变化量，依次测量出每一段的高低变化，也就得出直线度。 如何用准直仪测量导轨的平行度？ 测量方法：准直仪安装在三角架或者稳定平台上，用90度转光镜把准直仪光线转到滑块运动方向，目的是转变准直仪刻线投射方向，并使得测量第二个导轨时，准直仪不用动，也就是作为测量两个导轨运行平行度的统一基准。 然后把反射镜安装在滑块上，移动滑块来测量导轨1的直线度，用同样的方法，把转光镜和反射镜挪动，再测量导轨2的直线度，测量完成后，可以计算两个导轨的平行度。 如何用准直仪测量平面度？ 沿多个方向测量出直线度，再计算出平面度。测量的方向构成一个口里有米的图案，如下。最后再做数据处理，完成平面度的测量。 如何用准直仪测量/校准旋转平台的精度？ 多边形基准镜，用于测量或者校准旋转平台的精度。 用得多的是8，12，16边形镜，因为多边形镜也不准，所以通常会有一张校准表，表示实际的角度。感兴趣的可以去了解一下多边形镜的校准方法。 接下来，如何测量旋转平台的精度？ 把镜子安装在旋转平台上，用镜子的中心孔定位，然后旋转平台，使镜子的某一面对准准直仪，使反射的十字光标对准准直仪原点，这时，初始角度就设定好了，把旋转平台的编码器读数清零，接下来就可以开始测量镜子角度误差了。 方法是，旋转平台到下一面镜子的名义角度，比如对于8面镜，第一面对准后，现在需要旋转360/8=45度，通过转动平台的编码器读取到45度时，停止旋转，然后在准直仪上读取光标的偏移量，用于计算镜子角度的偏差。依次转动，用同样的方法测量其他的面，这样就测量了旋转平台的误差。 还有一种测量方法，是转动到某一个面后，使得准直仪中的读数是零，这时候编码器的读数角度和名义角度的差就是误差。 相关阅读： 1.《机器人末端的快换装置，有哪些设计要点？》 http://www.cmiw.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1004402&page=2#pid6321547
2.《同步带有哪些张紧方法？如何计算张紧力？如何测量张紧力？》 http://www.cmiw.cn/thread-1012369-1-1.html 3.《滚珠丝杠和梯形丝杠有什么区别？各应用于什么场合？如何选用？》 http://www.cmiw.cn/thread-1010435-1-1.html 4.《分辨率，定位精度，重复定位精度三者之间有什么关系？》 http://www.cmiw.cn/thread-986466-1-1.html
猜猜下一篇，我要写什么？ 或者，你想听什么？ 可以在文章后面留言，告诉我。 我懂的我可以写，不懂的我就去学。 学懂了，我再来写。 或许这就是写作最大的好处了。 最后，安利一份幕后文档，包含有准直仪原理，准直仪调整结构，应用例子等。 领取方法是，在我公众号［罗罗日记］后台，回复“准直仪”。 我们不见不散。
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发表于 2020-6-20 10:47:06
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