專利名稱：主軸五自由度回轉誤差的光學測量方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種主軸回轉誤差的測量方法與裝置，尤其是涉及一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量方法與裝置。
背景技術：
高精度主軸是納米金剛石車床、精密加工中心、硬盤驅動器、高精度旋轉電機、大型汽輪發電機等超精密裝備或大型基礎裝備的關鍵部件，主軸的運動誤差對整機的工作精度、性能有著直接的影響。例如，金剛石車床主軸的運動精度，直接影響加工工件的形狀精度和表面粗糙度。有相關實驗表明精密車削的圓度誤差約有30% 70%是由于主軸的回轉誤差引起的，且機床的精度越高，所占的比例越大。主軸的回轉誤差包括徑向跳動(δχ，δγ)、軸向竄動(δζ)、傾角偏轉運動(εχ， εγ)共五個自由度，目前常用的檢測手段采用在主軸圓周方向布置非接觸式位移傳感器 (電容或電渦流位移傳感器)，采集傳感器測頭到軸表面距離的變化，然后通過誤差分離方法獲得主軸回轉誤差，一般以離線測量為主。為了有效測量高精度主軸(或軸承)的運動誤差，一些學者開展了相關研究工作。 巴西的A. Ortiz Salazar等提出采用一個環狀電容和4個矩形電容極板的組合實現對磁懸浮軸承的徑向跳動測量。日本學者Jiro Kuroki等提出了用于磁懸浮軸承的電容式位移傳感器。韓國學者Hyeong-Joon Ahn提出了實現徑向位移(兩自由度)測量的柱狀電容位移傳感器，同時該學者也開展了基于盤片狀平面電容傳感器測量旋轉軸五自由度幾何誤差的方法研究，該方法雖然能同時測量主軸的五個自由度誤差，但電容傳感器呈現同心平面分布，計算模型復雜，存在較嚴重的非線性。蘇州光動精密儀器有限公司采用給主軸加裝標準球并采用激光干涉儀檢測標準球的運動誤差而間接實現對主軸運動誤差的測量，但系統的結構比較復雜，只能實現兩自由度誤差檢測。西安理工大學王凱提出一種用激光照射安裝于被測軸端面的凹面鏡，并用光電二極管檢測反射光位置而實現主軸兩自由度回轉誤差檢測的方法，但該方法僅能實現主軸兩自由度回轉誤差的測量。
發明內容
本發明的目的是提供一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量方法與裝置，為在線動態測量主軸五自由度運動提供一種簡單有效的方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是—、一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量方法將法蘭固定在被測主軸軸端，測量過程中法蘭隨被測主軸一起轉動，四個點激光發生器發射四束點激光到法蘭錐面，激光經錐面反射后投射到四個相機(簡稱CCD)上，在被測主軸沒有回轉誤差時，每個CXD上得到的激光位置都處于CXD中心；當主軸存在回轉誤差時，CXD上激光的位置將發生變化，通過對CXD上激光點位置的捕捉和計算機的后續處理，實現主軸徑向跳動δχ，δ y、軸向竄動δ z以及主軸繞X、Y軸的偏轉誤差εχ，εγ的測量。所述的四個點激光光束與主軸軸線平行，經法蘭錐面反射后穿過激光發生器安裝支座中心孔后投射到與激光光源布置象限對稱的CCD上。二、一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量裝置在被測主軸1軸端安裝法蘭，法蘭外側的凹錐形反射面外側，依次有四個激光發生器和四個CXD并安裝在各自支座上正交布置，四個(XD，被測主軸、法蘭、激光發生器支座和CCD支座同軸布置，激光發生器支座和CCD支座在軸向都能進行距離微調，四個CCD分別與計算機連接。所述的四個激光發生器中位于X平面對角布置的兩個點激光發生器所在軸線和四個CCD中位于X平面對角布置的兩個CCD所在軸線處于同一平面；四個激光發生器中位于Y平面對角布置的兩個點激光發生器所在軸線和四個CCD中位于Y平面對角布置的兩個 C⑶所在軸線處于同一平面。本發明具有的有益效果是1)激光的穩定性好，CCD分辨率高，法蘭錐面中心角的變化可以調節系統對主軸回轉誤差拾取放大倍數，容易實現高精度主軸回轉誤差的在線監測。2)整個測量系統結構簡單，實現成本低。
圖1是本發明的結構原理示意圖；圖2是點激光發生器布置示意圖；圖3是CXD布置示意圖；圖4是主軸存在軸向竄動誤差δ ζ時光路變化示意圖；圖5是主軸存在徑向跳動誤差δ y時光路變化示意圖；圖6是主軸存在偏轉誤差ε χ時光路變化示意圖；圖7是測量光路數學求解模型示意圖。圖中1、被測主軸；2、法蘭；3、點激光發生器；4、激光發生器安裝支座；5、CXD ；6、 CCD安裝支座；7、計算機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。如圖1所示，本發明在被測主軸1軸端安裝法蘭2，法蘭2外側的凹錐形反射面外側，依次有四個激光發生器3和四個CCD 5并安裝在各自支座上正交布置，四個CCD 5，被測主軸1、法蘭2、激光發生器支座4和CXD支座6同軸布置，激光發生器支座4和CXD支座6 在軸向都能進行距離微調，四個CXD 5分別與計算機7連接。所述的四個激光發生器中位于X平面對角布置的兩個點激光發生器所在軸線和四個CCD中位于X平面對角布置的兩個CCD所在軸線處于同一平面；四個激光發生器中位于Y平面對角布置的兩個點激光發生器所在軸線和四個CCD中位于Y平面對角布置的兩個 C⑶所在軸線處于同一平面。如圖2、圖3、圖7所示，所述的激光發生器和CCD的發射和接收對應關系為Si〉Cg， S2 ^C^， Sg ^C-^ J S^〉Cg O如圖1所示，法蘭2的錐面經過精密車削加工成達到光學反射要求的準鏡面，法蘭 2與被測主軸1同軸安裝并隨主軸一起轉動。四個點激光發生器3正交等距安裝于激光發生器安裝支座4上如圖2所示，四個CXD 5正交等距安裝于C⑶安裝支座上如圖3所示。每個CCD數據都經導線接入計算機7進行處理，計算機7內配置有圖像采集卡及測量軟件，可以對采集到的數據進行處理，求解結果。所述的法蘭2 —端加工成錐孔與被測軸通過莫氏錐孔配合安裝，另一端經精密車削加工出錐角為2α的內錐面，在測量過程中錐面用做反射鏡，對入射激光進行反射，為直接測量目標。圖中法蘭中心0，點激光安裝支座中心O1, C⑶安裝支座中心&共線并與主軸軸線重合。如圖2所示，所述的點激光發生器3共有四個。四個點激光發生器S1, S2, S3, S4分別安裝固定于激光發生器安裝支座4的+X，+Y，-X，-Y四個坐標軸上，且保持每個點激光發生器中心線到坐標中心等距離(即沿半徑為r的圓上均布)，激光發生器安裝支座的軸線與被測主軸的軸線重合，即圖1中CKO1共線。如圖3所示，所述的C⑶共有四個。四個C⑶器件C1, C2, C3,(；分別安裝固定于 CXD安裝支座4的+X，+Y，-X，-Y四個坐標軸上，且保持每個CXD中心線到坐標中心等距離 (即沿半徑為R的圓上均布)，CCD安裝支座的軸線與被測主軸的軸線重合，即圖1中0、& 共線。主軸回轉誤差是軸向竄動誤差δ ζ、徑向跳動誤差(δ χ，δ y)和偏轉誤差(ε χ，ε y) 三者的綜合。主軸在運轉過程中存在回轉誤差時，相應的光路會發生改變。主軸存在單一的軸向竄動時，光路變化示意圖如圖4所示，虛線為不存在竄動時光路，實線為存在竄動量 \時的光路圖。主軸存在單一的徑向跳動時，光路變化示意圖如圖5所示，虛線為不存在跳動時光路，實線為有跳動量Sy時的光路圖。圖6為主軸存在偏轉誤差時光路變化示意圖，虛線為不存在偏轉時光路，實線為有偏轉量ε x時的光路圖。圖7是測量光路數學求解模型示意圖。如圖所示，對測量系統的光路建立笛卡爾坐標系，坐標原點設于被測軸未轉動時法蘭的錐角頂點(即0點)，z軸與主軸軸線重合，其方向指向激光源，XOY平面垂直于軸線。點激光發生器中心線與Z軸距離為r，CXD平面距坐標原點的Z向距離為1，被測軸支承點距原點0的Z向距離為Iz(如圖5所示)。首先通過建立的坐標系求解出在主軸不存在回轉誤差情況下S1, S2, S3, S4所發射的激光在CCD上點的位置坐標，再通過CCD獲取到主軸存在回轉誤差情況下各激光點的位置坐標，對坐標位置的變化建立以誤差變動量為未知數的方程組，通過對方程的求解即可獲得主軸運轉過程的回轉誤差。S1發射的激光束經錐面P1點反射后投向C3,同理，其它光束的對應關系為 S2->P2->C4, ^OP3OC1,、->p4->c2。以&為例計算主軸在無回轉誤差情況下在C4上的坐標。錐面方程為x2+y2-z2tan2 α = O (ζ > 0)(1)入射線即方程為入射線方向矢量為
(2) (3)兩式聯立得到P2點坐標為 P2 (0, r, r*cot α ) 對錐面方程分別求偏導數
Jx = O \y = r
Vi =^
權利要求
1.一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量方法，其特征在于將法蘭固定在被測主軸軸端，測量過程中法蘭隨被測主軸一起轉動，四個點激光發生器發射四束點激光到法蘭錐面，激光經錐面反射后投射到四個CCD上，在被測主軸沒有回轉誤差時，每個CCD上得到的激光位置都處于CXD中心；當主軸存在回轉誤差時，CXD上激光的位置將發生變化，通過對 CXD上激光點位置的捕捉和計算機的后續處理，實現主軸徑向跳動δχ，Sy、軸向竄動52以及主軸繞X、Y軸的偏轉誤差εχ，％的測量。
2.根據權利要求1所述的一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量方法，其特征在于 所述的四個點激光光束與主軸軸線平行，經法蘭錐面反射后穿過激光發生器安裝支座中心孔后投射到與激光光源布置象限對稱的CCD上。
3.根據權利要求1所述方法的一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量裝置，其特征在于在被測主軸1軸端安裝法蘭O)，法蘭(2)外側的凹錐形反射面外側，依次有四個激光發生器(3)和四個CCD(5)并安裝在各自支座上正交布置，四個CCD(5)，被測主軸(1)、法蘭 O)、激光發生器支座(4)和CCD支座(6)同軸布置，激光發生器支座(4)和CCD支座(6) 在軸向都能進行距離微調，四個(XD 分別與計算機(7)連接。
4.根據權利要求3所述的一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量裝置，其特征在于 所述的四個激光發生器(3)中位于X平面對角布置的兩個點激光發生器所在軸線和四個 CCD (5)中位于X平面對角布置的兩個CCD所在軸線處于同一平面；四個激光發生器(3)中位于Y平面對角布置的兩個點激光發生器所在軸線和四個CCD (5)中位于Y平面對角布置的兩個CCD所在軸線處于同一平面。
全文摘要
本發明公開了一種主軸五自由度回轉誤差的光學測量方法與裝置。由安裝于被測主軸軸端經過精密車削的法蘭、四個點激光發生器、四個CCD相機(簡稱CCD)及其它附件組成。測量過程中法蘭隨被測主軸一起轉動，四個點激光發生器發射四束激光入射到法蘭錐面，激光經錐面反射后投射到四個CCD上。主軸沒有回轉誤差時，每個CCD上得到的光斑位置都處于CCD中心；當主軸存在回轉誤差時，CCD上光斑的位置將發生變化。通過對CCD上激光位置的捕捉和后續處理，可以實現主軸徑向跳動δx，δy、軸向竄動δz以及主軸繞X、Y軸的偏轉誤差εx，εy的測量。該方法結構簡單，設備成本低，可以實現主軸五自由度回轉誤差非接觸在線測量，具有較快的測量速度。
文檔編號G01B11/26GK102322795SQ20111013059
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月19日 優先權日2011年5月19日
發明者余建平, 盧科青, 文耀華, 王文, 陳子辰 申請人:浙江大學