一种基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置的制作方法

本发明一种基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置属于精密仪器制造及测量技术领域。

背景技术：

随着半导体和超净加工技术的不断发展，高速主轴的技术需求日益增加。主轴转速范围从几千转每分钟上升到几万转每分钟，主轴轴系精度也不断提高，其中，径向回转误差从几百微米提高到几十微米甚至几微米精度。因此，对高速主轴径向回转误差的测量显得更加重要。主轴回转误差也是反映机床动态性能好坏的关键指标之一，通过对回转误差的测试与分析，可以预测理想加工条件下机床所能达到的最小形状误差、表面质量和粗糙度，也可以用于机床加工预测和补偿控制，判断产生加工误差的原因，以及机床的状态监测和故障诊断，还可为机床主轴回转误差预测、控制提供重要的测试基础。

目前在高速主轴径向回转误差测量方面，美国雄狮精仪公司的主轴误差分析仪sea，与我国军标gjb1801-93提到的方法一致。该方法要想保持测量精度，其采用的电容传感器的采样频率要随待测主轴转速提高而增大。例如，当待测主轴的转速达到60000rpm，即待测主轴轴心点晃动频率为1khz，要想实现25μm的测量精度，电容传感器的采样频率至少要达到128khz。

可见，这种方法对于电容传感器的采样频率有着非常高的要求，由于高采样频率电容传感器难以获得，且价格昂贵，因此，如何在不需要高采样频率电容传感器的情况下，实现高转速主轴径向回转误差高精度测量，是主轴径向回转误差超精密测量领域亟待解决的关键技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明设计了一种基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置，该装置不仅不需要高采样频率电容传感器，降低了设备成本，而且能够实现高转速主轴径向回转误差的高精度测量。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置，包括：图像采集器件，标准器，用于夹持标准器的装夹装置，待测主轴，基座，龙门支架，x向位移导轨，y向位移导轨和z向位移导轨；其中，x向位移导轨通过龙门支架固定在基座上，y向位移导轨安装在x向位移导轨上，沿x向位移导轨所在方向移动，z向位移导轨安装在y向位移导轨上，沿y向位移导轨所在方向移动，图像采集器件安装在z向位移导轨上，沿z向位移导轨所在方向移动，标准器通过装夹装置安装在待测主轴的回转端面上；所述标准器为顶端开有靶标、内部能够发光的桶状结构；所述靶标为偏心孔。

上述基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置，有如下关系：

t1＝t2

或

t1＝kt2

其中，图像采集器件的曝光时间为t1，待测主轴的回转周期为t2，k为正有理数。

一种基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，由以下步骤组成：

步骤a、点亮标准器；

步骤b、调整x向位移导轨，y向位移导轨和z向位移导轨，使得图像采集器件能够对靶标回转圆周完整成像；

步骤c、控制待测主轴在额定转速下转动；

步骤d、在图像采集器件的曝光时间t1、待测主轴的转动周期t2之间满足t1＝t2或t1＝kt2的关系时，图像采集器件对标准器成像，获得靶标轨迹图像；

步骤e、对靶标轨迹图像进行预处理和靶标轨迹提取；

步骤f、评定靶标轨迹的圆度误差。

上述基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，步骤e所述的预处理，包括以下步骤：

步骤e1、对每一个像素点[i,j]取大小为n×n的邻域，分别计算该邻域的四个子区域灰度分布均匀度，然后将均匀度最小的子区域的均值赋予该像素点；所述子区域灰度分布均匀度有如下公式计算：

v＝∑f²(i,j)-(∑f(i,j))²/n

其中，i、j为某像素点的x坐标和y坐标，f(i,j)为该像素点的灰度值，n＝2k-1，k为正整数；

步骤e2、对步骤e1处理之后的靶标轨迹图像进行增强，获取明暗对比清晰的图像；所述获取明暗对比清晰图像的方法通过如下公式实现：

其中，g(i,j)为某像素点变换之后的灰度值，f(i,j)为该像素点变换之前的灰度值，mf为图像变换之前最大灰度值，mg为图像变换之后最大灰度值；又0<c<d<mg。

上述基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，步骤e所述的靶标轨迹提取，通过以下步骤实现：

β(a)＝a-(a！b)

其中，a为靶标轨迹图像，β(a)为提取所得的靶标轨迹，b为一个大小为n×n的结构元素。

上述基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，步骤f所述的评定靶标轨迹的圆度误差，方法如下：

步骤f1、计算拟合圆半径r0

其中，(xi,yi)为实际轮廓上各点的坐标，(xo,yo)为拟合圆中心的坐标；

步骤f2、计算靶标轨迹的圆度误差为：

靶标轨迹的圆度误差eround即为待测主轴的径向回转误差。

有益效果：

本发明基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置，首先采用具有靶标的标准器，利用靶标轨迹的圆度误差与待测主轴径向回转误差一致的特性，再通过图像采集器件记录靶标轨迹，最后利用靶标轨迹的圆度误差来描述待测主轴径向回转误差；不同于电容传感器的是，图像采集器件中的感光元素能够并行工作，因此能够回避高采样频率电容传感器的使用，降低了设备成本；而靶标和图像采集器件像元的大小都在微米量级，因此又能够实现高转速主轴径向回转误差的高精度测量。

附图说明

图1是本发明基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置的结构示意图。

图2是标准器的结构示意图。

图3是本发明基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法的流程图。

图4是靶标轨迹与评定轨迹图像。

图中：1图像采集器件、2标准器、3装夹装置、4待测主轴、5基座、6龙门支架、7x向位移导轨、8y向位移导轨、9z向位移导轨、10靶标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置实施例。

本实施例的基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置，结构示意图如图1所示。该装置包括：图像采集器件1，标准器2，用于夹持标准器2的装夹装置3，待测主轴4，基座5，龙门支架6，x向位移导轨7，y向位移导轨8和z向位移导轨9；其中，x向位移导轨7通过龙门支架6固定在基座5上，y向位移导轨8安装在x向位移导轨7上，沿x向位移导轨7所在方向移动，z向位移导轨9安装在y向位移导轨8上，沿y向位移导轨8所在方向移动，图像采集器件1安装在z向位移导轨9上，沿z向位移导轨9所在方向移动，标准器2通过装夹装置3安装在待测主轴4的回转端面上；所述标准器2为顶端开有靶标10、内部能够发光的桶状结构；所述靶标10为偏心孔。具体实施例二

本实施例是基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置实施例。

本实施例的基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量装置，有如下关系：

t1＝t2

或

t1＝kt2

其中，图像采集器件1的曝光时间为t1，待测主轴4的回转周期为t2，k为正有理数。

具体实施例三

本实施例是基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法实施例。

本实施例的基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，流程图如图3所示。该方法由以下步骤组成：

步骤a、点亮标准器2；

步骤b、调整x向位移导轨7，y向位移导轨8和z向位移导轨9，使得图像采集器件1能够对靶标10回转圆周完整成像；

步骤c、控制待测主轴4在额定转速下转动；

步骤d、在图像采集器件1的曝光时间t1、待测主轴4的转动周期t2之间满足t1＝t2或t1＝kt2的关系时，图像采集器件1对标准器2成像，获得靶标轨迹图像；

步骤e、对靶标轨迹图像进行预处理和靶标轨迹提取；

步骤f、评定靶标轨迹的圆度误差。

具体实施例四

本实施例是基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法实施例。

本实施例的基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤e所述的预处理，包括以下步骤：

步骤e1、对每一个像素点[i,j]取大小为n×n的邻域，分别计算该邻域的四个子区域灰度分布均匀度，然后将均匀度最小的子区域的均值赋予该像素点；所述子区域灰度分布均匀度有如下公式计算：

v＝∑f²(i,j)-(∑f(i,j))²/n

其中，i、j为某像素点的x坐标和y坐标，f(i,j)为该像素点的灰度值，n＝2k-1，k为正整数；

步骤e2、对步骤e1处理之后的靶标轨迹图像进行增强，获取明暗对比清晰的图像；所述获取明暗对比清晰图像的方法通过如下公式实现：

其中，g(i,j)为某像素点变换之后的灰度值，f(i,j)为该像素点变换之前的灰度值，mf为图像变换之前最大灰度值，mg为图像变换之后最大灰度值；又0<c<d<mg。

具体实施例五

本实施例是基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法实施例。

本实施例的基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤e所述的靶标轨迹提取，通过以下步骤实现：

β(a)＝a-(a！b)

其中，a为靶标轨迹图像，β(a)为提取所得的靶标轨迹，b为一个大小为n×n的结构元素。

具体实施例六

本实施例是基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法实施例。

本实施例的基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤f所述的评定靶标轨迹的圆度误差，方法如下：

步骤f1、计算拟合圆半径r0

其中，(xi,yi)为实际轮廓上各点的坐标，(xo,yo)为拟合圆中心的坐标；

步骤f2、计算靶标轨迹的圆度误差为：

靶标轨迹的圆度误差eround即为待测主轴4的径向回转误差。

具体实施例七

本实施例是基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法实施例。

本实施例的基于靶标轨迹跟踪的主轴径向回转误差测量方法，将具体实施例三、具体实施例四、具体实施例五和具体实施例六相结合，以一个具体实例来说明本方法，该方法由以下步骤组成：

步骤a、点亮标准器2；

步骤b、调整x向位移导轨7，y向位移导轨8和z向位移导轨9，使得图像采集器件1能够对靶标10回转圆周完整成像；

步骤c、控制待测主轴4在额定转速下转动；

步骤d、在图像采集器件1的曝光时间t1、待测主轴4的转动周期t2和靶标10的数量n之间满足t1＝t2的关系时，图像采集器件1对标准器2成像，获得靶标轨迹图像，如图4中的粗实线所示；

步骤e、对靶标轨迹图像进行预处理和靶标轨迹提取；其中，预处理采用具体实施例四所述的方法，靶标轨迹提取采用具体实施例五所述的方法；

步骤f、评定靶标轨迹的圆度误差，采用具体实施例六所述的方法，其中，图4中的外圆为与运算相对应，图4中的内圆与相对应。

需要说明的是，以上所有方法实施例，均是在以上所有装置实施例中的任一个的基础上实现的。

还需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此，本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。