武文彬，任冬梅，李华丰

（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

0 引言

对于端度、间隙、步距规及环规类内外孔径[1]、圆柱外径等几何尺寸的定位通常采用非接触光学瞄准[2]的方法。而瞄准装置的工作距离决定和限制了被测件尺寸的大小。

一般的端度类产品面宽度范围及孔径类测量产品的内尺寸测量范围在100 mm以下，不能对较大尺寸的孔径类及端度类产品进行检测，因此本文通过设计一种大量程瞄准装置，采用光路仿真计算的方法增大其测量量程，使其尺寸测量范围达到3～300 mm。

1 端度孔径测量仪组成

端度及孔径测量仪主要由激光干涉测长系统[3]、光电显微瞄准装置、直线导轨、调整工作台、环境温度测量控制、软件算法等部分组成，端度孔径测量仪整体结构图如图1所示。限制端度孔径测量仪量程测量范围的主要原因是光电显微瞄准装置的工作距离，采用增大光电显微瞄准装置工作距离的设计方法，并且需对与瞄准系统相配的可调工作台等机械部件进行重新设计。被测件置于可调工作台上，工作台带动待测件进行移动，将待测件移动至光电显微瞄准装置视场范围内，通过调整工作台及其微调机构使得待测件的被测面被精确瞄准。

图1 端度孔径测量仪示意图

2 端度孔径测量瞄准装置光学设计

2.1 瞄准装置光路设计

大焦距光电显微瞄准装置光学系统光路如图2所示，光学系统设计主要由照明光源、聚光镜组、显微镜组、观察镜组、狭缝、光电倍增管和电子处理模块等组成。

图2 光电显微瞄准装置光路图

系统由卤素灯照明，光源发出的光线由光纤传输，经聚光镜组照射在目标分划板上，分划板上的图形（刻线）经过投影显微物镜组缩小后成像在光电显微光路的物平面上（此平面即被测件的测量面），形成一个缩小的实像像点。此像点经过工件被测面的反射，测量显微物镜组将其放大、还原后再次分别成像在目镜分划板和狭缝上。呈现在目镜上的图像用来安装被测件，呈现在狭缝上的图像用来进行电子瞄准。当移动被测面，成像在狭缝上的反射像总有一个位置使得在狭缝中两边的通光面积相等，此位置即为瞄准位置。为提高瞄准精度，系统在狭缝后方采用光电倍增管将接收到的光通量转化成电信号并进行瞄准信号的处理。

根据大焦距光电显微瞄准原理，在瞄准直线端面时，是以影像位于振动狭缝中心位置为瞄准点；在瞄准内孔时，由于内孔的瞄准面不是直线而是圆弧表面，在其反射时就会使目标像发生变形，形成圆弧瞄准像。因光电倍增管仍是对振动狭缝两边的光强度变化进行瞄准，故而会产生瞄准误差。当光电倍增管接收到目标像两边的光强相等，也就是狭缝被目标像均分成两块相等的面积就认为目标被瞄准。

综上，设计采用李斯特型物镜作为瞄准显微光路的显微物镜，数值孔径NA设计在0.3以下[4]，后焦距的大小决定了光电显微瞄准装置的工作范围，增大焦距可实现大量程的瞄准。

图3 大焦距显微物镜组光路图

2.2 瞄准装置光路设计质量仿真分析

光学像差关乎光学系统的成像质量，没有良好的成像质量，光学系统很难达到高精度的测量要求。因此控制光学像差十分重要。光学系统的像差[5]可以分成单色像差及色差。单色像差分为影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似度的畸变；色差主要是位置色差和倍率色差。光学像差种类是很多的，光学设计时也不可能全部消除，因此根据系统的需要，对影响较大的像差加以控制，对其它像差可适当放宽。几何像差对CCD光电准直系统测量有直接影响，但在光学系统设计时控制球差和正弦差也很重要，因为这两项除了直接影响成像质量外，慧差和畸变也都与它们的存在有关，因此对光电显微瞄准装置光路进行仿真分析，如图4～图8所示。

图4 显微物镜组扇面曲线图

图5 场曲和畸变

图6 光学RMS点列图

图7 MTF图

图8 光学系统能量图

由图4、图5中可见球差及畸变优化得很小，不存在离焦现象，由图6和图7可见弥散斑大小接近艾里斑直径，系统的分辨率高，成像质量好，由图8可知能量分布满足设计要求。通过大焦距光电显微瞄准装置的设计，增大瞄准装置的工作距离，实现了对大端面和大孔径环规类被测件的瞄准，在光学设计上扩大了测量量程。

3 端度孔径测量瞄准装置配套机械结构设计

3.1 光电显微瞄准装置主体结构设计

光电显微瞄准装置机械设计结构如图9所示，根据光路设计和光电工作原理，配合设计光电显微瞄准装置的机械结构。光源产生的光束，通过光纤连接在光纤管座上，为显微瞄准装置提供照明。在定位管和投影物镜管相交处安装反射镜，通过反射镜支撑座进行调节。由反射镜反射的光束通过投影物镜管，在被测面相交，通过被测点交汇，传到显微物镜管，在分光镜位置通过分光镜组，由成像系统（显微物镜镜组）成像在狭缝面上。测量时，刻线所成的像匀速扫过狭缝，信号由光电倍增管接收。光电显微瞄准装置机械部件力学有限元仿真设计结果如图10所示。

图9 光电显微瞄准装置机械结构

图10 光电显微瞄准装置有限元仿真分析图

光源系统主要是为光电显微瞄准装置提供照明，形成光束后通过光纤传导，如图11所示。作为光源部件安装在端度孔径测量装置支撑架中并固定。

图11 光电显微瞄准装置光源结构设计

3.2 光电显微瞄准装置连接配件结构设计

光电显微瞄准装置的连接机构结构如图12所示，光电显微瞄准装置主体经过位移导轨与立柱相连，由于量程增大导致光路焦距变长，所以整体光路的机械配件也变长，整体探出部分增加，而探出的瞄准装置主体类似悬臂结构，这种结构的变形量会随其长度增加而变大，容易造成光学镜组发生偏心和移动，导致光轴发生偏移，影响瞄准精确度。为避免这种情况，在设计时需选择轻质材料来降低整体质量，提高抗变形强度。同时连接装置的结构设计为可以随位移导轨准确调整上下位置，这样在瞄准过程中，可以实现沿光轴方向的定位。

图12 光电显微瞄准装置连接结构设计图

根据端度孔径测量装置的光路设计，上下镜筒同轴度会影响装配物镜的偏心，偏心应在微米量级并尽量缩小。为减小物镜镜筒同轴度误差，应当对镜筒的圆度加以要求，安装时避免偏心，镜筒变形量尽量保持在微米量级以下。

滑架设计有与燕尾导轨配合的燕尾槽，光电显微瞄准装置安装孔，将滑架作为可移动导轨使用，如图13所示。调节手轮与齿轮轴连接，齿轮轴设计为一体式与滑架安装孔配合设计，并通过立柱上的齿条实现调节运动。为实现对其与燕尾槽配合的间隙进行调整，采用镶条结构设计。为配合大量程光电显微瞄准装置的瞄准，应使滑架在导轨上实现较大距离运动，通过锁紧手柄实现相对运动的锁紧固定。

图13 滑架结构设计图

图14 微调整工作台设计图

3.3 光电显微瞄准装置调整配件结构设计

端度孔径测量瞄准装置对被测面瞄准时，被测面应平行于光电显微瞄准装置的主光轴，并且被测件反射像与视场内的刻线调平行。在瞄准过程中，采用一种机械工作台配件的设计方式来实现被测件移动的操作。对微调整工作台进行设计，调整工作台安装在气浮滑台上，其整体结构如图14所示。工作台可为被测面提供细微调整，并且在平面内进行移动和旋转，配合实现对被测表面的瞄准。

其余机械结构既不是实现大量程也不是实现高准确度瞄准的关键部件，本文不在此赘述。

4 结语

本文提出一种大量程端度孔径测量瞄准装置的设计方法。通过对光电显微瞄准装置光路的设计从根本上实现大量程瞄准，并且在机械上配合大量程瞄准的设计。分析了端度孔径测量装置主要的组成构件，并对其主要组成构件光电显微瞄准装置光路、机械、连接配件、调整部件分别进行了设计，使其可以对端度和孔径类达到3～300 mm尺寸范围的被测件进行瞄准。