CN102252617B - 一种基于形貌配准分析的精密主轴回转精度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于形貌配准分析的精密主轴回转精度检测方法，将表面样品安装在待测精密主轴上，控制***控制待测精密主轴到一个角度θ位置，依次采集待测精密主轴在完整圆周位置上表面样品的表面形貌图；形貌数据配准分析处理***将所获得的若干表面形貌图进行分析，并进行误差评价。本发明对随精密主轴回转的表面样品形貌进行测量及后续形貌配准分析处理，表面样品没有很高的精度要求，不需要昂贵的标准外圆轮廓或复杂测试***及测试过程，如果选用二维形貌/图像传感器，可测量主轴的径向回转误差；如果选用三维形貌测量传感器，可同时测量主轴径向和轴向回转误差；采用高分辨率的测量传感器，则可实现纳米级精度的主轴回转误差检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密主轴回转误差的检测方法。
背景技术
精密回转主轴是精密加工机床和测试设备的关键部件。随着超精密加工和纳米技术的发展，人们对机械零件和测量仪器的精度水平要求越来越高，尤其是高精度回转体部件，如超精密机床主轴、测试转台、激光陀螺仪转子、圆标准器、激光核聚变靶器件等，其制造允差一般在几纳米~几十纳米之间，这已达到或高于现有精密圆度仪的精度水平(径向回转误差约10~50nm)。提高主轴的回转精度以满足极限状态下的零件加工要求和确保测量结果的准确性，成为一项极具挑战的课题。此外，由于精密主轴组成部件本身的制造也处于极限精度状态下，单纯仅靠提高主轴部件的加工精度来保证是难奏效的。误差分离与补偿技术是目前公认的提高精密主轴回转精度的最有效途径。精密主轴，特别是静压气浮主轴的回转误差在一定的工作条件下(转速、温度等条件)是较为恒定的***误差，这就使得精密主轴的回转误差纳米级精度检测问题，成为确保实现回转误差分离与补偿、提高主轴回转精度的关键。
根据国家标准文件规定，主轴回转误差是指主轴的瞬时回转轴线相对于平均轴线(处于瞬时回转轴线的平均位置处)的位移。主轴回转误差可以大致分为两种基本形式：轴向端面跳动和径向回转误差(包含径向跳动和角度摆动)。对精密主轴回转误差的精密测量方法的研究可追溯到二十世纪初，如Scheslinger最早建立的机床主轴的定量测试方法等。二十世纪五十年代，Tlustry 和Bryan建立了完整的主轴定量测试方法并在极坐标系中表达误差结果，成为公认的现代主轴测试技术的奠基人。二十世纪六七十年代，为了开发超精密加工技术，美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室对主轴回转误差进行了研究，解决了主轴运动误差特性的描述、测试及主轴误差运动与工件形状精度的关系三个方面的问题；Donaldson提出了误差分离理论使得主轴回转误差仅受传感器精度、数据获取及结构设计等影响；国际生产技术研究协会(CIRP)经过几年的工作，于1976年正式发表了“关于回转轴性能要求和误差测定的统一”文件。这些文件都成为1985年B89.3.4M国际标准建立的基础(2004年又对此标准作了进一步修改)。进入九十年代以后，国际上又进行了一系列的高精度圆度测量对比，参加的单位有意大利计量所(IMGC)、德国(PTB)、英国Tayor Hobson等等，通过这些对比进一步完善了主轴回转误差的基本理论。ISO/FDIS230-7国际标准中又将回转误差运动分解为同步误差运动和异步误差运动等。在国内，全国高校机械工程测试技术研究会、中国机械工程学会、机械加工学会等单位自八十年代初开始召开全国高精度回转主轴测试方面的学术讨论会，所取得的成果极大地促进了我国主轴回转误差基本理论的发展。
在主轴回转误差的测量和分析方法方面，每一种新技术的引入都使回转误差测试工作产生很大的飞跃。例如，Vanherck 和Peters采用的数字处理技术和旋转编码器，不但促进了回转误差测试技术的发展，而且在精密机床主轴制造方面得到广泛应用；Arora及Murthy分别采用旋转变压器和数字陷波滤波器处理回转偏心问题；Chapman采用电容位移传感器实现了5nm分辨率的径向、轴向及倾斜运动误差测量；英国Whitehouse教授对误差分离技术在理论上进行了***总结，使“多步法”、“反向法”等方法理论化，Chetwynd依据上述方法进行了误差分离实验，得到纳米级的分离重复性误差；Estler和Donaldson采用的反转法测量技术，有效去除了主轴的回转误差，并进一步探讨了多探头法和多转位法的相关理论和回转误差分离、补偿工作。
在国内，近年来也开展了多种回转误差测量方法的研究。如国防科大黄长征采用两点法建立的基于双测头的车床主轴回转误差测试***，两个传感器在圆周方向相隔180?对称安装固定，车床主轴回转时传感器不动且拾得信号，然后通过消除偏心措施和误差分离技术求得主轴的回转误差运动，且能求得测试轴的圆度误差；哈尔滨工业大学谭久彬等采用多重多步法识别并分离标准器的圆轮廓误差和主轴的回转运动误差，主要解决了谐波抑制问题，以消除原理误差，同时解决误差分离过程的最简化问题，以减小或消除机械、电气漂移和外界干扰的影响；上海交大李自军等采用二次相移三点法在线检测主轴的回转运动误差，采用间隔不等的三个传感器测头获得测量数据，并按二次相移原则重组数据，从而分离出回转误差；中国科技大学王卫东等利用数字图像处理技术，建立了一套主轴回转精度的CCD测量***，采用光学CCD检测安装在主轴上的光源位置，进而获取主轴回转时的运动误差量，对数据处理和误差评定进行了探讨。
概括说来，目前的主轴回转误差的测量方法主要有静态测量法、动态多测头法、多次定位法及光学测量方法等。其中，静态测量法是一种较为原始的测量方法，它采用传感器在主轴手动慢速回转下测量标准圆轮廓，因而测量精度无法进一步提高。动态多测头法采用两个或两个以上的精密测头对同一圆轮廓同时测量，测量效率高，适合在线测量；然而由于多测头的偏置及传感器特性的一致性限制，在高精度的应用场合应用不如多次定位法广泛。动态多次定位的实现方法有多种，如两步法、反转法、多步法等等，此方法有易于实现，能够达到较高的回转误差分离精度等特点，其缺点在于(多测头法也存在类似问题)存在由谐波抑制问题带来的方法误差，需要进一步的测量数据的分析处理与重建；光学测量方法可实现不借助标准器(球)且非接触的测量方式，使用CCD 检测安装在主轴上的光源位置，进而获取主轴回转时的跳动信息，然而由于光学衍射等影响，此方法无法实现纳米级的横向测量分辨率，因此也就无法满足纳米级精度的回转误差检测问题。可以看出，精密主轴的回转精度水平欲达到纳米量级检测还存在一些重要的理论和关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统精密主轴回转误差测量方法需要昂贵的标准外圆轮廓或复杂测试***及测试过程的问题，进而提供一种基于形貌配准分析的精密主轴回转精度检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一，将表面样品安装在待测精密主轴上，调整表面样品的位置，使其在待测精密主轴的回转中心附近；二、调节表面微观形貌测量传感器相对于表面样品的位置，使得表面微观形貌测量传感器的测量范围覆盖到表面样品随待测精密主轴旋转时的回转中心位置；三、控制***控制待测精密主轴到某一角度位置，由表面微观形貌测量传感器测量一幅表面形貌图；控制***控制待测精密主轴到一个角度θ位置，再次测量一幅表面形貌图；按照上述过程，依次采集待测精密主轴在完整圆周位置上表面样品的表面形貌图；四、形貌数据配准分析处理***将所获得的若干表面形貌图进行分析，即可得到待测精密主轴的回转误差数据，并进行误差评价。所述形貌数据配准分析处理***采用三维或二维刚体运动的齐次坐标变换矩阵理论计算待测精密主轴的回转误差数据。
本发明的有益效果：本发明通过使用测量传感器，对随精密主轴回转的表面样品形貌进行测量及后续形貌配准分析处理，来实现精密主轴回转误差数据的综合测量，测量方法简单，表面样品没有很高的精度要求，不需要昂贵的标准外圆轮廓或复杂测试***及测试过程，如果选用二维形貌/图像传感器，那么可测量主轴的径向回转误差；如果选用三维形貌测量传感器，可同时测量主轴径向和轴向回转误差；采用高分辨率(包括纵向和横向)的测量传感器，则可实现纳米级精度的主轴回转误差检测。
附图说明
图1是本发明方法的测量原理示意图，图2是本发明方法的形貌配准分析示意图。
具体实施方式
本发明较佳的实施方式见图1和图2，首先，将表面样品2安装在待测精密主轴3上，调整表面样品2的位置，使其在待测精密主轴3的回转中心附近；二、调节表面微观形貌测量传感器1相对于表面样品2的位置，使得表面微观形貌测量传感器1的测量范围覆盖到表面样品2随待测精密主轴3旋转时的回转中心位置；三、控制***4控制待测精密主轴3到某一角度位置(比如到0°位置或原点位置)，由表面微观形貌测量传感器1测量一幅表面形貌图；控制***4控制待测精密主轴3到一个角度θ位置(可按等间隔角度在圆周均匀分布若干位置)，再次测量一幅表面形貌图；按照上述过程，依次采集待测精密主轴3在完整圆周位置上表面样品2的表面形貌图，那么这些形貌图实际上是表面样品2上的同一区域，只不过随着待测精密主轴3的旋转，这些形貌图在空间位置上有所不同，但都包含了待测精密主轴3回转误差信息。四、形貌数据配准分析处理***5将所获得的若干表面形貌图进行分析，即可得到待测精密主轴3的回转误差数据，并进行误差评价。
本发明方法中回转误差的测量精度和测量误差项主要取决于表面微观形貌测量传感器1的测量精度和能力。如果表面微观形貌测量传感器1为二维形貌/图像传感器(如光学显微镜及CCD***)，那么本发明可用来测量待测精密主轴3的径向回转误差；如果表面微观形貌测量传感器1为三维形貌传感器(如白光干涉显微镜及或原子力显微镜***)，那么本发明则可用来同时测量待测精密主轴3的径向和轴向回转误差。待测精密主轴3的回转误差测量精度及分辨率主要受表面微观形貌测量传感器1的精度和分辨率的影响。
基于形貌数据配准分析的回转误差计算方法也是保证获得高精度精密主轴回转误差数据的关键之一。本发明方法的形貌数据配准分析处理***5的具体实施方式是基于三维(或二维，针对二维传感器获得的数据)刚体运动的齐次坐标变换矩阵理论来进行计算的。若精密主轴在某一位置上，获取了表面样品2的一幅形貌图，其上有一个特征点 
，在主轴旋转某一已知的角度θ后，这个特征点变化到另一幅形貌图上的
，设回转中心在
，则由刚体绕Z轴旋转的几何变化关系，有
上式中，两个对应的特征点坐标、旋转角度都已知，所以，旋转中心坐标可以计算出来。由于表面样品2在回转过程中仅空间位置发生了变化，表面形貌上的点应该围绕某一个瞬时中心点在回转，因此对表面形貌上的多个特征点进行配准分析计算，就可以得到精确的回转瞬时中心位置。通过计算所有形貌图的回转瞬心变化，就可以得到被测精密主轴3在每个角度位置上的回转误差数据。
本发明形貌数据配准分析处理***5采用了三维(或二维，针对二维传感器获得的数据)刚体运动的齐次坐标变换矩阵理论来计算待测精密主轴3的回转误差数据。由于表面样品2在回转过程中仅空间位置发生了变化，表面形貌上的点应该围绕一个共同点在回转，因此对表面形貌上的多个特征点进行配准分析计算，就可以得到精确的回转瞬时中心位置。计算精密主轴在每个角度位置上的回转瞬心变化，即可以得到被测主轴的回转误差数据。
Claims (3)
1.一种基于形貌配准分析的精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，一，将表面样品安装在待测精密主轴上，调整表面样品的位置，使其在待测精密主轴的回转中心附近；二、调节表面微观形貌测量传感器相对于表面样品的位置，使得表面微观形貌测量传感器的测量范围覆盖到表面样品随待测精密主轴旋转时的回转中心位置；三、控制***控制待测精密主轴到某一角度位置，由表面微观形貌测量传感器测量一幅表面形貌图；控制***控制待测精密主轴到一个角度θ位置，再次测量一幅表面形貌图；按照上述过程，依次采集待测精密主轴在完整圆周位置上表面样品的表面形貌图；四、形貌数据配准分析处理***将所获得的若干表面形貌图进行分析，即可得到待测精密主轴的回转误差数据，并进行误差评价；所述形貌数据配准分析处理***采用三维或二维刚体运动的齐次坐标变换矩阵理论计算待测精密主轴的回转误差数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，表面微观形貌测量传感器为二维形貌或图像传感器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，表面微观形貌测量传感器为三维形貌传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130116 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |