一种用线阵ccd实现滚珠丝杠重构的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用线阵CCD实现滚珠丝杠重构的方法，采用高精度线阵CCD传感器和平行背光源作为待测滚珠丝杠轴截面的主要获取元件，在平行背光源照射下线阵CCD传感器开始对待测丝杠轴向自左向右(或自右向左)以较小的时间间隔扫描待测滚珠丝杠的法向牙形，获取某一轴截面内各横截面上、下牙廓点之间位置关系；再根据法向截面与轴截面之间的几何换算关系，将法向扫描牙廓换算成轴向截面牙廓，法向扫描时安装线阵CCD传感器及平行背光源的测量工作台的调整角度由圆编码器精确测量。该发明技术能够更好地针对滚珠丝杠制造过程中进行检测技术，为寻找滚珠丝杠制造缺陷和优化滚珠丝杠制造工艺奠定基础。
【专利说明】—种用线阵CCD实现滚珠丝杠重构的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用线阵CCD实现滚珠丝杠重构的方法，属于滚珠丝杠检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]滚珠丝杠的制造精度常常作为代表一个国家机械制造水平的标志，如何提高滚珠丝杠的制造水平一直以来是滚珠丝杠制造者们长期的工作方向。面临这一要求，深入研究滚珠丝杠的测量技术就显得十分重要。由于国家标准对滚珠丝杠的误差定义涵盖内容丰富，实现能对滚珠丝杠全部参数测量的综合性滚珠丝杠测量仪还有待进一步研发，给出或找到一种能对滚珠丝杠制造具有指导意义的技术方法，无疑对滚珠丝杠的制造精度的提高会具有积极的现实意义。显然，根据对待测滚珠丝杠各个截面数据点扫描、采集，重构待测的滚珠丝杠将为以后与理想滚珠丝杠比对，可以为全面寻找滚珠丝杠制造缺陷和优化滚珠丝杠制造工艺奠定基础。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种用线阵CXD实现滚珠丝杠重构的方法，以便更好地满足滚珠丝杠制造过程中检测检测要求，为寻找滚珠丝杠制造缺陷和优化滚珠丝杠制造工艺
奠定基础。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0005]一种用线阵CXD实现滚珠丝杠重构的方法，采用高精度线阵CXD传感器和平行背光源作为待测滚珠丝杠轴截面的主要获取元件，各轴截面之间的相对位置关系则由安装在主轴上的圆光栅获取，每个轴截面内各扫描横截面之间相对位置关系由安装在工作台上的长光栅获取，当工作台在步进电机的驱动下沿着平行于待测滚珠丝杠轴线方向以近似等速速度移动时，在平行背光源照射下线阵CCD传感器开始对待测丝杠轴向自左向右(或自右向左)以较小的时间间隔扫描待测滚珠丝杠的法向牙形，获取某一轴截面内各横截面上、下牙廓点之间位置关系，一个轴截面内各横截面之间的相对位置关系由长光栅传感器获取。考虑到待测滚珠丝杠滚道延伸螺旋面遮挡对牙廓点获取的影响，为精确获得牙廓，以待测滚珠丝杠法向截面扫描，再根据法向截面与轴截面之间的几何换算关系，将法向扫描牙廓换算成轴向截面牙廓，法向扫描时安装线阵CCD传感器及平行背光源的测量工作台的调整角度由圆编码器精确测量。
[0006]该技术中的装置包括工业计算机、线阵CXD传感器、线阵CXD采集卡、平行背光源、长光栅、圆光栅、数据采集卡、步进电机及其驱动部件、滚珠丝杠副、圆编码器、主轴箱、导轨和测量工作台等硬件部分。平行背光源、线阵CCD传感器和线阵CCD采集卡用来实现对待测滚珠丝杠牙廓扫描的任务，长光栅、圆光栅和数据采集卡分别用来在执行扫描待测滚珠丝杠牙廓时各采集点位置关系的获取，长光栅用来获取各扫描横截面相对位置关系，圆光栅用来获取各扫描轴截面相对位置关系，圆编码器和工作台上分度装置用来实现工作台获取法向截面时的精确调整，滚珠丝杠副、导轨、步进电机及其驱动部件实现测量用工作台沿待测滚珠丝杠轴向移动目的，工业计算机用来实现数据设定、数据处理、人机交互任务。
[0007]该发明装置基于下列工作原理:按照微积分的原理，圆看作为若干等长线段首尾连接而成，即如果在一定精度的情况下，即η足够大时，圆为其内接正η边形所替代。类似的，在η大到能满足精度的情况下，圆柱也为正η边棱柱所替代。对于某一滚珠丝杠实体而言，如果能够获取足够多的、较为精确的轴截面，就用这些轴截面在保证一定精度的条件下构造出符合其实体固有几何特征的滚珠丝杠理论模型，倘若这一理论模型得以建立，将为分析某种工艺情况下制造的滚珠丝杠几何特征规律、尤其是制造缺陷规律分析提供基础，这为优化滚珠丝杠工艺和提高滚珠丝杠的制造精度提供了技术基础。尽管类似的方法已经在齿轮检测和误差分析中被提出甚至应用，但是对于滚珠丝杠而言，由于其导程较大的原因，在用面阵CCD传感器获取轴截面时因为延伸螺旋面遮挡造成的牙形失真，致使获取的轴截面与实体实际轴截面有较大几何形貌差距较大，因而该项技术未能在滚珠丝杠检测方面得到应用。本发明方法采用切向投影，即顺着滚珠丝杠牙槽的方向用图像传感器感测牙形，可有效减小图像传感器感测得到的牙形与真实牙形存在的牙形失真偏差，从而较为精确的获取滚珠丝杠牙形，实现了滚珠丝杠精确轴截面获取问题。
[0008]依照以上描述，用线阵CXD实现滚珠丝杠重构的方法，分为两个步骤，即采样和拟合，采样步骤用来完成待测滚珠丝杠各个轴、横截面相对几何关系以及其上各轮廓点坐标的获取；拟合则根据采样得到的各个轴截面之间几何关系和轴截面上各离散点坐标按一定的曲面拟合方法重构出滚珠丝杠空间轮廓。
[0009]该发明装置基于下列工作原理:实体滚珠丝杠看成是若干轴截面的集合，也就是当用Si表征滚珠丝杠第i个轴截面数据集，而用Oi表征i个轴截面Si与第1-Ι个轴截面Sp1之间的相位关系，即Si与Sp1之间相对角位移关系时,用集合(Stl, S1, S2,..., Si,...,sk_1; SJ和集合{φ^ φ1； φ2,…，φ?；…，φ^, φ,}描述待测滚珠丝杠实体(Φ?由圆光栅获取)。对于表征某一轴截面数据集Si,则是一个横截面扫描图像数据集，对于线阵CCD而言，即{D。，D1, D2,..., Di,..., Dnrl, Dj 和集合{Ζ。，Z1, Z2,..., Zi,…，Znri, Zj ,式中 Dj 为线阵CCD某次横截面扫描图像，Zfj为第j次横截面扫描时滚珠丝杠在机床坐标系中的坐标；对某次Dj扫描的图像经过图像处理，得到本次扫描的滚珠丝杠牙廓的上边界点Ej和下边界点Fj,也即上边界点Ej的坐标XF(j)'和下边界点Fj的坐标XF(j)",结合本次扫描时的机床坐标Zf(j)(也即本次扫描丝杠轴向位置坐标,下标F表不为法向扫描，j为扫描序号)，记为:
【权利要求】
1.一种用线阵CCD实现滚珠丝杠重构的方法，其特征在于:采用高精度线阵CCD传感器和平行背光源作为待测滚珠丝杠轴截面的主要获取元件，各轴截面之间的相对位置关系则由安装在主轴上的圆光栅获取，每个轴截面内各扫描横截面之间相对位置关系由安装在工作台上的长光栅获取，当工作台在步进电机的驱动下沿着平行于待测滚珠丝杠轴线方向以近似等速速度移动时，在平行背光源照射下线阵CCD传感器开始对待测丝杠轴向自左向右(或自右向左)以较小的时间间隔扫描待测滚珠丝杠的法向牙形，获取某一轴截面内各横截面上、下牙廓点之间位置关系，一个轴截面内各横截面之间的相对位置关系由长光栅传感器获取，再根据法向截面与轴截面之间的几何换算关系，将法向扫描牙廓换算成轴向截面牙廓，法向扫描时安装线阵CCD传感器及平行背光源的测量工作台的调整角度由圆编码器精确测量。
2.根据权利要求1所述的用线阵CCD实现滚珠丝杠重构的方法，其特征在于:该发明装置基于下列工作原理:实体滚珠丝杠看成是若干轴截面的集合，也就是当用Si表征滚珠丝杠第i个轴截面数据集，而用Oi表征i个轴截面Si与第1-Ι个轴截面Sp1之间的相位关系，即Si与Sp1之间相对角位移关系时，用集合氏，S1, S2,…，S”…，Sk^1, SJ和集合{Φ。，Φ17 Φ2,…，Φ」，…，Φ^, Φ,}描述待测滚珠丝杠实体(Φ^由圆光栅获取)；对于表征某一轴截面数据集Si,则是一个横截面扫描图像数据集，对于线阵CCD而言，即{%，D1,D2, -,Di,…，Dnrl, DJ 和集合(ZciiZpZ2,…，Zi,式中 Di 为线阵 CCD 某次横截面扫描图像，Zi为第i次横截面扫描时滚珠丝杠在机床坐标系中的坐标；对某次Di扫描的图像经过图像处理，得到本次扫描的滚珠丝杠牙廓的上边界点Ei和下边界点Fi,也即上边界点Ei的坐标X' i和下边界点Fi的坐标X" i，结合本次扫描时的机床坐标Zi (也即本次扫描丝杠轴向位置坐标)，记为: 式中Z坐标由长光栅获取，X坐 标由图像处理后获得；结合本次扫描轴截面Oi，就得到一个上、下边界点的完整空间坐标，轴截面Φ?由圆光栅获取；至此，一个待测滚珠丝杠轮廓上的点可以描述为:上边界点{X, i，Zi, Φ?Ι和下边界点{X" i，Zi, Φ]，即{Xi; Zi, Φ?Ι。
【文档编号】G06T7/00GK103913463SQ201410091329
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】陈曼龙 申请人:陕西理工学院