自动准直仪原理与应用

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。

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。

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