本發(fā)明屬于精密激光干涉測量領域，具體涉及一種激光干涉檢測軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)及方法。

背景技術：

滾動軸承在精密機械系統(tǒng)中具有廣泛的應用，如作為航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)支撐部件、高速鐵路車輛支撐部件、機床主軸重要組件等。滾珠作為滾動軸承的核心元件，承擔著減小摩擦、承載負載的作用，高精度的軸承滾珠可以增加軸承使用壽命，提高軸承旋轉精度。

然而，在滾珠的生產(chǎn)過程中，往往會存在一定的加工誤差從而導致生產(chǎn)滾珠的面型精度難以得到有效的保障，從而影響到整個軸承的壽命。目前，軸承滾珠的面型誤差測量主要有接觸式與非接觸式測量方法。接觸式測量容易劃傷被測件且測量效率較低；非接觸式測量通過對滾珠進行間接測量得到面型誤差，但是對被測件的定位要求精度高，容易在測量中引入定位誤差。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種激光干涉檢測軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)及方法，其能夠對被測軸承滾珠進行高精度的表面面型測量并通過波面擬合算法剔除測量結果中的定位誤差，得到精確的滾珠面型測量結果。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種激光干涉檢測軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)，包括穩(wěn)頻激光器、空間濾波器、激光擴束器、分光鏡、參考平面反射鏡、成像透鏡、ccd相機和移相裝置；穩(wěn)頻激光器的出射光路上依次設置有空間濾波器、激光擴束器、分光鏡、測球補償透鏡和待測軸承滾珠；分光鏡的旁側設置有參考平面反射鏡，參考平面反射鏡連接能夠驅動其移動的移相裝置；參考平面反射鏡、分光鏡、成像透鏡和ccd相機位于同一光路上，成像透鏡和參考平面反射鏡設置于分光鏡相對的兩側。

進一步的，參考平面反射鏡、分光鏡、成像透鏡和ccd相機所位于的同一光路與穩(wěn)頻激光器的出射光路垂直。

進一步的，移相裝置包括相互連接的壓電陶瓷晶體和壓電陶瓷控制器，參考平面反射鏡連接壓電陶瓷晶體。

進一步的，穩(wěn)頻激光器作為光源，輸出頻率穩(wěn)定的光束；光束通過空間濾波器后得到準直的平面光束，再由激光擴束器將準直光束進行擴束，平面光束經(jīng)過分光鏡后被分成垂直的參考光與測量光兩路，其中一路參考平面光束入射到參考平面鏡后原路返回，另一路測量平面光束入射到球面補償透鏡后調整為球面波，經(jīng)被測軸承滾珠反射后再次經(jīng)過球面補償透鏡調整為平面光束，參考光束與測量光束經(jīng)分光鏡后匯合形成干涉現(xiàn)象，通過成像物鏡與ccd相機拍攝得到干涉圖像。

進一步的，ccd相機和移相裝置均連接計算機。

一種激光干涉檢測軸承滾珠面型誤差的方法，包括：采用穩(wěn)頻激光器作為光源，輸出頻率穩(wěn)定的光束；光束通過空間濾波器后得到準直的平面光束，再由激光擴束器將準直光束進行擴束，平面光束經(jīng)過分光鏡后被分成垂直的參考光與測量光兩路，其中一路參考平面光束入射到參考平面鏡后原路返回，另一路測量平面光束入射到球面補償透鏡后調整為球面波，經(jīng)被測軸承滾珠反射后再次經(jīng)過球面補償透鏡調整為平面光束，參考光束與測量光束經(jīng)分光鏡后匯合形成干涉現(xiàn)象，通過成像物鏡與ccd相機拍攝得到初始相位干涉圖像；初始相位干涉圖像得到后，控制進行參考平面鏡π/2移相，ccd重復拍攝得到第二干涉圖像；朝同一方向重復進行π/2移相，ccd重復拍攝得到第三干涉圖像。

進一步的，通過移相干涉公式得到被測軸承滾珠上各點的相位信息：

i1(x,y)、i2(x,y)、i3(x,y)分別對應三次移相時干涉圖像上任意一點(x,y)點的光強；

通過澤尼克多項式擬合，對得到的離散的面型相位信息進行處理，得到完整的相位信息；

其中，zn為澤尼克多項式，an為擬合得到的澤尼克系數(shù)，n為擬合采用的澤尼克多項式總項數(shù)。

對于待側面上每一點(x,y),對澤尼克擬合結果的傾焦、離焦所造成的像差進行剔除，得到準確的軸承滾珠面型相位誤差信息：

φ(x,y)＝φk(x,y)-a1z1-a2z2-a4z4

其中φk(x,y)為原始擬合結果，φ(x,y)為最終擬合結果，z1，z2，z4與a1，a2，a4分別為澤尼克多項式第1，2,，4項與相對應的擬合得到的澤尼克系數(shù)；

將每一點的相位信息轉化為面型信息：

其中λ為穩(wěn)頻激光器1出射波長；得到最終的測量結果。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明與傳統(tǒng)的非接觸式測量方法相比，提出了一種簡單的容易實現(xiàn)的滾珠面型測量方法，并通過波面擬合的方法降低了對被測件的高精度定位要求，從而提高了檢測結果的準確性。能夠應用與軸承滾珠面形誤差的快速高精度檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種激光干涉檢測軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)的結構示意圖及測量方法的原理圖。

其中：1-hene穩(wěn)頻激光器，2-空間濾波器，3-激光擴束器，4-分光鏡，5-參考平面反射鏡，6-壓電陶瓷晶體，7-測球補償透鏡，8-待測軸承滾珠，9-成像透鏡，10-ccd相機，11-壓電陶瓷控制器，12-計算機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參見圖1，本發(fā)明一種激光干涉檢測軸承滾珠面形誤差的系統(tǒng)，包括hene穩(wěn)頻激光器1、空間濾波器2、激光擴束器3、分光鏡4、參考平面反射鏡5、壓電陶瓷晶體6、測球補償透鏡7、成像透鏡9、ccd相機10、壓電陶瓷控制器11和計算機12。

hene穩(wěn)頻激光器1的出射光路上依次設置有空間濾波器2、激光擴束器3、分光鏡4、測球補償透鏡7和待測軸承滾珠8；分光鏡4的旁側設置有參考平面反射鏡5，參考平面反射鏡5連接壓電陶瓷晶體6，能夠有壓電陶瓷晶體6驅動進行移動；計算機12通過壓電陶瓷控制器11連接壓電陶瓷晶體6，用于控制壓電陶瓷晶體6。參考平面反射鏡5、分光鏡4、成像透鏡9和ccd相機10位于同一光路上，成像透鏡9和參考平面反射鏡5設置于分光鏡4相對的兩側。計算機12連接ccd相機10，用于控制ccd相機10拍照，并獲取拍照數(shù)據(jù)。

本發(fā)明通過控制器控制壓電陶瓷晶體6推動參考平面反射鏡5進行三步移相，ccd相機拍攝得到3幅干涉圖像，由干涉圖像中包含的光強信息解算圖像上每一個點的相位信息，經(jīng)過澤尼克擬合與定位誤差消除計算得到軸承滾珠的面形誤差。

本發(fā)明一種激光干涉檢測軸承滾珠面形誤差的方法，包括：采用hene穩(wěn)頻激光器1作為光源，輸出頻率穩(wěn)定的光束，波長為632.8nm。光束通過由透鏡與針孔組成的空間濾波器2后得到準直的平面光束，再由激光擴束器3將準直光束進行擴束，平面光束經(jīng)過分光鏡4后被分成垂直的參考光與測量光兩路，其中一路參考平面光束入射到參考平面鏡5后原路返回，另一路測量平面光束入射到球面補償透鏡7后調整為球面波，經(jīng)被測軸承滾珠8反射后再次經(jīng)過球面補償透鏡7調整為平面光束，參考光束與測量光束經(jīng)分光鏡4后匯合形成干涉現(xiàn)象，通過成像物鏡9與ccd相機10拍攝得到初始相位干涉圖像傳輸?shù)接嬎銠C12進行數(shù)據(jù)處理。在測量過程中，需要維持周圍環(huán)境穩(wěn)定，使測量系統(tǒng)處于隔震恒溫狀態(tài)。

初始相位干涉圖像得到后，通過控制器11控制壓電陶瓷晶體6進行π/2移相，壓電陶瓷晶體6推動參考平面鏡5從而完成移相，得到第二干涉圖像。重復移相步驟，再次控制壓電陶瓷晶體推動參考平面鏡5朝同一方向進行π/2移相，得到第三干涉圖像。

通過移相干涉公式得到被測軸承滾珠上各點的相位信息：

i1(x,y)、i2(x,y)、i3(x,y)分別對應三次移相時干涉圖像上任意一點(x,y)點的光強；

通過澤尼克多項式擬合，對得到的離散的面型相位信息進行處理，得到完整的相位信息。

其中，zn為澤尼克多項式，an為擬合得到的澤尼克系數(shù)，n為擬合采用的澤尼克多項式總項數(shù)。

對于待側面上每一點(x,y),對澤尼克擬合結果的傾焦、離焦所造成的像差進行剔除，得到準確的軸承滾珠面型相位誤差信息：

φ(x,y)＝φk(x,y)-a1z1-a2z2-a4z4

其中φk(x,y)為原始擬合結果，φ(x,y)為最終擬合結果，z1，z2，z4與a1，a2，a4分別為澤尼克多項式第1，2，4項與相對應的擬合得到的澤尼克系數(shù)。

將每一點的相位信息轉化為面型信息：

其中λ為穩(wěn)頻激光器1出射波長。得到最終的測量結果。