本發(fā)明屬于精密主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試分析領(lǐng)域，涉及一種基于激光干涉原理的精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

精密主軸是高檔數(shù)控機(jī)床的重要組成部件，其精度性能對(duì)機(jī)床加工能力有重要影響。而由于用于檢測(cè)的特征面的制造誤差與精密主軸的回轉(zhuǎn)精度很接近，通常需要運(yùn)用一定的手段實(shí)現(xiàn)誤差分離，獲得更為真實(shí)的回轉(zhuǎn)精度結(jié)果。對(duì)于徑向跳動(dòng)，通常采用多個(gè)傳感器不同角度上進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而運(yùn)用數(shù)學(xué)方法處理所得信號(hào)，實(shí)現(xiàn)誤差分離。主要的方法有正交法、三點(diǎn)法等。而對(duì)于軸向竄動(dòng)，通常采用單傳感器進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)前精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)方法存在以下缺點(diǎn)：

1)為降低加工誤差的影響，用于檢測(cè)的特征面加工精度要求很高；

2)多采用電容或電渦流位移傳感器，檢測(cè)受到被測(cè)面材質(zhì)的影響；

3)為保證傳感器的線性測(cè)量，對(duì)被測(cè)面直徑和傳感器到被測(cè)面的距離有很高要求；

4)徑向跳動(dòng)采用多傳感器檢測(cè)，傳感器延長(zhǎng)線應(yīng)交于一點(diǎn)，且為進(jìn)行誤差分離，傳感器角度要求較高，傳感器的安裝有很大難度；

5)主軸旋轉(zhuǎn)速度需要單獨(dú)檢測(cè)，不利于同步分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提出一種基于激光干涉原理的精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)分析方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

基于激光干涉原理的精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)裝置，包括箱體和靶球；靶球通過(guò)連桿安裝在被測(cè)精密主軸上；箱體中安裝有能夠發(fā)生穩(wěn)定單色激光的激光源及干涉測(cè)試系統(tǒng)；靶球的連桿與從箱體中射出的激光束軸線平行，并且靶球的球心在激光束匯聚點(diǎn)附近。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述干涉測(cè)試系統(tǒng)包括依次設(shè)置于激光源出射光光軸上的第一擴(kuò)束透鏡、第二擴(kuò)束透鏡、第一匯聚透鏡以及半透半反鏡，半透半反鏡一側(cè)反射光光路上設(shè)置基準(zhǔn)球，其匯聚點(diǎn)與基準(zhǔn)球的球心重合，另一側(cè)設(shè)置第二匯聚透鏡；半透半反鏡將經(jīng)過(guò)第一匯聚透鏡透射過(guò)來(lái)的光一部分反射至基準(zhǔn)球，另一部分沿出射光光軸透射，經(jīng)箱體上的圓孔射出至靶球；第二匯聚透鏡將基準(zhǔn)球與靶球的反射光匯聚，將球面波轉(zhuǎn)換成平面波。

所述第二匯聚透鏡的正后方設(shè)置用于測(cè)量反射波干涉圖像的CCD相機(jī)。

一種基于激光干涉原理的精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)方法，包括以下步驟：

1)微調(diào)箱體，使射出的激光束匯聚點(diǎn)在精密主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終位于靶球坐標(biāo)系的某一象限中且盡量靠近球心，使用CCD相機(jī)采集干涉圖像，分析得到靶球中心誤差位移；

2)控制精密主軸旋轉(zhuǎn)，記錄靶球中心移動(dòng)軌跡；

3)分析靶球中心移動(dòng)軌跡獲得精密主軸的旋轉(zhuǎn)速度及軸向和徑向位移誤差。

其進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述步驟1)的具體方法如下：

設(shè)空氣折射率為n＝1，基準(zhǔn)球和靶球的半徑均為R，調(diào)整后靶球中心在靶球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為δ＝(δ_x，δ_y，δ_z)；靶球坐標(biāo)系是原點(diǎn)位于射出激光束匯聚點(diǎn)的坐標(biāo)系；在靶球上某一點(diǎn)P(x,y,z)處的光線，由于位移量相對(duì)R很小，入射光與反射光的夾角可忽略，視為重合；能夠得到在P點(diǎn)及基準(zhǔn)球?qū)?yīng)點(diǎn)處，經(jīng)過(guò)反射后，光線的光程差為：

另外由于P點(diǎn)在靶球球面上，有幾何關(guān)系：

x²+y²+z²＝R² (2)

在CCD相機(jī)上建立測(cè)量坐標(biāo)用于測(cè)量干涉圖像數(shù)據(jù)；設(shè)基準(zhǔn)球球心到第二匯聚透鏡的距離為d，則CCD相機(jī)與球面上對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)，坐標(biāo)值的放大系數(shù)為：

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)，得到測(cè)量坐標(biāo)系中各點(diǎn)的坐標(biāo)值(x_c，y_c，z_c)、光程差Δ與靶球位移誤差(δ_x，δ_y，δ_z)的關(guān)系為：

當(dāng)光程差為波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍時(shí)，干涉獲得亮條紋，通過(guò)關(guān)系式看出是一系列橢圓；根據(jù)干涉圖像的三個(gè)性質(zhì)參數(shù)與方程各系數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算得到光束匯聚點(diǎn)在靶球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(δ_x，δ_y，δ_z)，即靶球球心的位置。

所述涉圖像的三個(gè)性質(zhì)參數(shù)為干涉圖像亮條紋的長(zhǎng)短軸比值、短軸方向角以及兩級(jí)亮條紋間距。

所述步驟3)的具體方法如下：

3-1)提取軌跡在xOy平面中投影的基頻即為精密主軸旋轉(zhuǎn)頻率；

3-2)做軌跡在xOy平面中投影的最小包絡(luò)圓，其直徑為精密主軸的徑向位移誤差；

3-3)做軌跡在z軸上的投影，其長(zhǎng)度為精密主軸軸向竄動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明利用球面波的干涉圖像，分析獲得轉(zhuǎn)速及徑向和軸向位移誤差；利用干涉圖像整體信息，對(duì)檢測(cè)面加工精度要求大大降低；激光波長(zhǎng)不受反射面材質(zhì)的影響，對(duì)被測(cè)面材質(zhì)無(wú)要求；而且激光波長(zhǎng)有很好的一致性及穩(wěn)定性，測(cè)量具有很好的線性特性。本發(fā)明由于該方法使用干涉圖像的整體信息進(jìn)行分析，只要求保證檢測(cè)面的基本尺寸，對(duì)檢測(cè)面的加工精度要求大大降低，同時(shí)也降低了設(shè)備的保存維護(hù)要求；對(duì)檢測(cè)面的材質(zhì)、尺寸大小要求低，省略了傳感器標(biāo)定等操作，使測(cè)試工作更簡(jiǎn)單方便，適用范圍也更加廣泛；本發(fā)明可以同時(shí)檢測(cè)精密主軸的轉(zhuǎn)速及徑向和軸向位移誤差，避免多傳感器之間的不同步等問(wèn)題；最后，本發(fā)明不需要考慮多個(gè)傳感器之間的位置關(guān)系，也無(wú)需進(jìn)行誤差分離，測(cè)量更加準(zhǔn)確。

【附圖說(shuō)明】

圖1為基于激光干涉原理的精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)光路圖；

圖2為光程差示意圖；

圖3為干涉條紋示意圖；

圖4為靶球中心運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖；

圖5為徑向位移誤差評(píng)價(jià)方法示意圖；

圖6為軸向竄動(dòng)評(píng)價(jià)方法示意圖。

其中：1-靶球；2-基準(zhǔn)球；3-半透半反鏡；4-箱體；5-激光源；6-第一擴(kuò)束透鏡；7-第二擴(kuò)束透鏡；8-第一匯聚透鏡；9-CCD相機(jī)；10-第二匯聚透鏡。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明基于激光干涉原理的精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)裝置，包括箱體4和靶球1。箱體4固定在空間中，箱體4中安裝有激光發(fā)生及干涉測(cè)試系統(tǒng)；激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光源5，能夠發(fā)生穩(wěn)定的單色激光，干涉測(cè)試系統(tǒng)包括，第一擴(kuò)束透鏡6，第二擴(kuò)束透鏡7，第一匯聚透鏡8，半透半反鏡3，基準(zhǔn)球2，第二匯聚透鏡10，CCD相機(jī)9；第一擴(kuò)束透鏡6，第二擴(kuò)束透鏡7對(duì)激光源5發(fā)生的激光束有準(zhǔn)直擴(kuò)束作用；第一匯聚透鏡8將調(diào)整后的激光束進(jìn)行匯聚，由平面波轉(zhuǎn)換形成球面波；球面波通過(guò)半透半反鏡3，一部分反射至基準(zhǔn)球2，匯聚點(diǎn)與球心重合，另一部分通過(guò)箱體4上的圓孔射出至靶球；第二匯聚透鏡10與第一匯聚透鏡8參數(shù)一致且關(guān)于半透半反鏡3對(duì)稱(chēng)，可將基準(zhǔn)球2與靶球1的反射光匯聚，將球面波轉(zhuǎn)換形成平面波；CCD相機(jī)9位于第二匯聚透鏡10的正后方，測(cè)量反射波的干涉圖像。

靶球1通過(guò)連桿安裝在被測(cè)精密主軸上；靶球1的連桿與從箱體4中射出的激光束軸線平行，并且靶球1的球心在激光束匯聚點(diǎn)附近。

如圖2所示，靶球上某一點(diǎn)P(x,y,z)處的光線，由于位移量相對(duì)R很小，入射光與反射光的夾角可忽略，視為重合。那么光程差為當(dāng)前光路比原有光路所少的一段距離的兩倍。

如圖3所示，是靶球中心存在位移誤差時(shí)，CCD相機(jī)上獲得的干涉亮條紋的圖像，是一系列橢圓。

如圖4所示，是靶球中心可能的運(yùn)動(dòng)軌跡，位于坐標(biāo)系的第Ⅰ象限。因此根據(jù)干涉圖像求得的三個(gè)誤差值均為正值。

如圖5所示，將靶球中心運(yùn)動(dòng)軌跡在xOy平面中投影，進(jìn)而獲得最小包絡(luò)圓，圓的直徑就是精密主軸徑向位移誤差。

如圖6所示，將靶球中心運(yùn)動(dòng)軌跡在z軸上進(jìn)行投影，得到投影線段的長(zhǎng)度，即為精密主軸的軸向竄動(dòng)。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于干涉圖像檢測(cè)精密主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)試方法，包括以下步驟：

1)微調(diào)箱體，使射出的激光束匯聚點(diǎn)在精密主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終位于靶球坐標(biāo)系的第Ⅰ象限中(也可在其他象限中，用于確定誤差位移正負(fù))且盡量靠近球心，使用CCD相機(jī)采集干涉圖像，分析得到靶球中心誤差位移。

設(shè)空氣折射率為n＝1，基準(zhǔn)球和靶球的半徑均為R，調(diào)整后靶球中心在靶球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為δ＝(δ_x，δ_y，δ_z)。靶球坐標(biāo)系是原點(diǎn)位于射出激光束匯聚點(diǎn)的坐標(biāo)系。在靶球上某一點(diǎn)P(x,y,z)處的光線，由于位移量相對(duì)R很小，入射光與反射光的夾角可忽略，視為重合?？梢缘玫皆赑點(diǎn)及基準(zhǔn)球?qū)?yīng)點(diǎn)處，經(jīng)過(guò)反射后，光線的光程差為

另外由于P點(diǎn)在靶球球面上，有幾何關(guān)系

x²+y²+z²＝R² (2)

在CCD相機(jī)上建立測(cè)量坐標(biāo)用于測(cè)量干涉圖像數(shù)據(jù)。設(shè)基準(zhǔn)球球心到第二匯聚透鏡10的距離為d，則CCD相機(jī)與球面上對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)，坐標(biāo)值的放大系數(shù)為

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)，可得測(cè)量坐標(biāo)系中各點(diǎn)的坐標(biāo)值(x_c，y_c，z_c)、光程差Δ與靶球位移誤差(δ_x，δ_y，δ_z)的關(guān)系為

當(dāng)光程差為波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍時(shí)，干涉獲得亮條紋，通過(guò)關(guān)系式可以看出是一系列橢圓。

根據(jù)干涉圖像的三個(gè)性質(zhì)參數(shù)(可取干涉圖像亮條紋的長(zhǎng)短軸比值、短軸方向角、兩級(jí)亮條紋間距)與方程各系數(shù)之間的關(guān)系可計(jì)算得到光束匯聚點(diǎn)在靶球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(δ_x，δ_y，δ_z)，即靶球球心的位置。

2)控制精密主軸旋轉(zhuǎn)，記錄靶球中心移動(dòng)軌跡。

3)分析靶球中心移動(dòng)軌跡獲得精密主軸的旋轉(zhuǎn)速度及軸向和徑向位移誤差。具體分析方法為：

a.提取軌跡在xOy平面中投影的基頻即為精密主軸旋轉(zhuǎn)頻率；

b.做軌跡在xOy平面中投影的最小包絡(luò)圓，其直徑為精密主軸的徑向位移誤差；

c.做軌跡在z軸上的投影，其長(zhǎng)度為精密主軸軸向竄動(dòng)。

以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍之內(nèi)。