CN107121092A - 一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***及方法，包括稳频激光器、空间滤波器、激光扩束器、分光镜、参考平面反射镜、成像透镜、CCD相机和移相装置；稳频激光器的出射光路上依次设置有空间滤波器、激光扩束器、分光镜、测球补偿透镜和待测轴承滚珠；分光镜的旁侧设置有参考平面反射镜，参考平面反射镜能够驱动参考平面反射镜移动的移相装置；参考平面反射镜、分光镜、成像透镜和CCD相机位于同一光路上，成像透镜和参考平面反射镜设置于分光镜相对的两侧。本发明测量***和方法简单，并通过波面拟合的方法降低了对被测件的高精度定位要求，从而提高了检测结果的准确性。能够应用与轴承滚珠面形误差的快速高精度检测。
Description
技术领域
本发明属于精密激光干涉测量领域，具体涉及一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***及方法。
背景技术
滚动轴承在精密机械***中具有广泛的应用，如作为航空发动机转子***支撑部件、高速铁路车辆支撑部件、机床主轴重要组件等。滚珠作为滚动轴承的核心元件，承担着减小摩擦、承载负载的作用，高精度的轴承滚珠可以增加轴承使用寿命，提高轴承旋转精度。
然而，在滚珠的生产过程中，往往会存在一定的加工误差从而导致生产滚珠的面型精度难以得到有效的保障，从而影响到整个轴承的寿命。目前，轴承滚珠的面型误差测量主要有接触式与非接触式测量方法。接触式测量容易划伤被测件且测量效率较低；非接触式测量通过对滚珠进行间接测量得到面型误差，但是对被测件的定位要求精度高，容易在测量中引入定位误差。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***及方法，其能够对被测轴承滚珠进行高精度的表面面型测量并通过波面拟合算法剔除测量结果中的定位误差，得到精确的滚珠面型测量结果。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***，包括稳频激光器、空间滤波器、激光扩束器、分光镜、参考平面反射镜、成像透镜、CCD相机和移相装置；稳频激光器的出射光路上依次设置有空间滤波器、激光扩束器、分光镜、测球补偿透镜和待测轴承滚珠；分光镜的旁侧设置有参考平面反射镜，参考平面反射镜连接能够驱动其移动的移相装置；参考平面反射镜、分光镜、成像透镜和CCD相机位于同一光路上，成像透镜和参考平面反射镜设置于分光镜相对的两侧。
进一步的，参考平面反射镜、分光镜、成像透镜和CCD相机所位于的同一光路与稳频激光器的出射光路垂直。
进一步的，移相装置包括相互连接的压电陶瓷晶体和压电陶瓷控制器，参考平面反射镜连接压电陶瓷晶体。
进一步的，稳频激光器作为光源，输出频率稳定的光束；光束通过空间滤波器后得到准直的平面光束，再由激光扩束器将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜后被分成垂直的参考光与测量光两路，其中一路参考平面光束入射到参考平面镜后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜后调整为球面波，经被测轴承滚珠反射后再次经过球面补偿透镜调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜后汇合形成干涉现象，通过成像物镜与CCD相机拍摄得到干涉图像。
进一步的，CCD相机和移相装置均连接计算机。
一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的方法，包括：采用稳频激光器作为光源，输出频率稳定的光束；光束通过空间滤波器后得到准直的平面光束，再由激光扩束器将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜后被分成垂直的参考光与测量光两路，其中一路参考平面光束入射到参考平面镜后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜后调整为球面波，经被测轴承滚珠反射后再次经过球面补偿透镜调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜后汇合形成干涉现象，通过成像物镜与CCD相机拍摄得到初始相位干涉图像；初始相位干涉图像得到后，控制进行参考平面镜π/2移相，CCD重复拍摄得到第二干涉图像；朝同一方向重复进行π/2移相，CCD重复拍摄得到第三干涉图像。
进一步的，通过移相干涉公式得到被测轴承滚珠上各点的相位信息：
I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)分别对应三次移相时干涉图像上任意一点(x,y)点的光强；
通过泽尼克多项式拟合，对得到的离散的面型相位信息进行处理，得到完整的相位信息；
其中，Zn为泽尼克多项式，an为拟合得到的泽尼克系数，N为拟合采用的泽尼克多项式总项数。
对于待侧面上每一点(x,y),对泽尼克拟合结果的倾焦、离焦所造成的像差进行剔除，得到准确的轴承滚珠面型相位误差信息：
φ(x,y)＝φk(x,y)-a1Z1-a2Z2-a4Z4
其中φk(x,y)为原始拟合结果，φ(x,y)为最终拟合结果，Z1，Z2，Z4与a1，a2，a4分别为泽尼克多项式第1，2,，4项与相对应的拟合得到的泽尼克系数；
将每一点的相位信息转化为面型信息：
其中λ为稳频激光器1出射波长；得到最终的测量结果。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明与传统的非接触式测量方法相比，提出了一种简单的容易实现的滚珠面型测量方法，并通过波面拟合的方法降低了对被测件的高精度定位要求，从而提高了检测结果的准确性。能够应用与轴承滚珠面形误差的快速高精度检测。
附图说明
图1是本发明一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***的结构示意图及测量方法的原理图。
其中：1-HeNe稳频激光器，2-空间滤波器，3-激光扩束器，4-分光镜，5-参考平面反射镜，6-压电陶瓷晶体，7-测球补偿透镜，8-待测轴承滚珠，9-成像透镜，10-CCD相机，11-压电陶瓷控制器，12-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明一种激光干涉检测轴承滚珠面形误差的***，包括HeNe稳频激光器1、空间滤波器2、激光扩束器3、分光镜4、参考平面反射镜5、压电陶瓷晶体6、测球补偿透镜7、成像透镜9、CCD相机10、压电陶瓷控制器11和计算机12。
HeNe稳频激光器1的出射光路上依次设置有空间滤波器2、激光扩束器3、分光镜4、测球补偿透镜7和待测轴承滚珠8；分光镜4的旁侧设置有参考平面反射镜5，参考平面反射镜5连接压电陶瓷晶体6，能够有压电陶瓷晶体6驱动进行移动；计算机12通过压电陶瓷控制器11连接压电陶瓷晶体6，用于控制压电陶瓷晶体6。参考平面反射镜5、分光镜4、成像透镜9和CCD相机10位于同一光路上，成像透镜9和参考平面反射镜5设置于分光镜4相对的两侧。计算机12连接CCD相机10，用于控制CCD相机10拍照，并获取拍照数据。
本发明通过控制器控制压电陶瓷晶体6推动参考平面反射镜5进行三步移相，CCD相机拍摄得到3幅干涉图像，由干涉图像中包含的光强信息解算图像上每一个点的相位信息，经过泽尼克拟合与定位误差消除计算得到轴承滚珠的面形误差。
本发明一种激光干涉检测轴承滚珠面形误差的方法，包括：采用HeNe稳频激光器1作为光源，输出频率稳定的光束，波长为632.8nm。光束通过由透镜与针孔组成的空间滤波器2后得到准直的平面光束，再由激光扩束器3将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜4后被分成垂直的参考光与测量光两路，其中一路参考平面光束入射到参考平面镜5后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜7后调整为球面波，经被测轴承滚珠8反射后再次经过球面补偿透镜7调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜4后汇合形成干涉现象，通过成像物镜9与CCD相机10拍摄得到初始相位干涉图像传输到计算机12进行数据处理。在测量过程中，需要维持周围环境稳定，使测量***处于隔震恒温状态。
初始相位干涉图像得到后，通过控制器11控制压电陶瓷晶体6进行π/2移相，压电陶瓷晶体6推动参考平面镜5从而完成移相，得到第二干涉图像。重复移相步骤，再次控制压电陶瓷晶体推动参考平面镜5朝同一方向进行π/2移相，得到第三干涉图像。
通过移相干涉公式得到被测轴承滚珠上各点的相位信息：
I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)分别对应三次移相时干涉图像上任意一点(x,y)点的光强；
通过泽尼克多项式拟合，对得到的离散的面型相位信息进行处理，得到完整的相位信息。
其中，Zn为泽尼克多项式，an为拟合得到的泽尼克系数，N为拟合采用的泽尼克多项式总项数。
对于待侧面上每一点(x,y),对泽尼克拟合结果的倾焦、离焦所造成的像差进行剔除，得到准确的轴承滚珠面型相位误差信息：
φ(x,y)＝φk(x,y)-a1Z1-a2Z2-a4Z4
其中φk(x,y)为原始拟合结果，φ(x,y)为最终拟合结果，Z1，Z2，Z4与a1，a2，a4分别为泽尼克多项式第1，2，4项与相对应的拟合得到的泽尼克系数。
将每一点的相位信息转化为面型信息：
其中λ为稳频激光器1出射波长。得到最终的测量结果。
Claims (7)
1.一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***，其特征在于，包括稳频激光器(1)、空间滤波器(2)、激光扩束器(3)、分光镜(4)、参考平面反射镜(5)、成像透镜(9)、CCD相机(10)和移相装置；
稳频激光器(1)的出射光路上依次设置有空间滤波器(2)、激光扩束器(3)、分光镜(4)、测球补偿透镜(7)和待测轴承滚珠(8)；
分光镜(4)的旁侧设置有参考平面反射镜(5)，参考平面反射镜(5)连接能够驱动其移动的移相装置；
参考平面反射镜(5)、分光镜(4)、成像透镜(9)和CCD相机(10)位于同一光路上，成像透镜(9)和参考平面反射镜(5)设置于分光镜(4)相对的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***，其特征在于，参考平面反射镜(5)、分光镜(4)、成像透镜(9)和CCD相机(10)所位于的同一光路与稳频激光器(1)的出射光路垂直。
3.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***，其特征在于，移相装置包括相互连接的压电陶瓷晶体(6)和压电陶瓷控制器(11)；参考平面反射镜(5)连接压电陶瓷晶体(6)。
4.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***，其特征在于，稳频激光器(1)作为光源，输出频率稳定的光束；光束通过空间滤波器(2)后得到准直的平面光束，再由激光扩束器(3)将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜(4)后被分成垂直的参考光与测量光两路，其中一路参考平面光束入射到参考平面镜(5)后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜(7)后调整为球面波，经被测轴承滚珠(8)反射后再次经过球面补偿透镜(7)调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜(4)后汇合形成干涉现象，通过成像物镜(9)与CCD相机(10)拍摄得到干涉图像。
5.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***，其特征在于，CCD相机(10)和移相装置均连接计算机(12)。
6.一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的方法，其特征在于，基于权利要求1至5中任一项所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的***，包括：采用稳频激光器作为光源，输出频率稳定的光束；光束通过空间滤波器后得到准直的平面光束，再由激光扩束器将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜后被分成垂直的参考光与测量光两路，其中一路参考平面光束入射到参考平面镜后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜后调整为球面波，经被测轴承滚珠反射后再次经过球面补偿透镜调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜后汇合形成干涉现象，通过成像物镜与CCD相机拍摄得到初始相位干涉图像；
初始相位干涉图像得到后，控制进行参考平面镜π/2移相，CCD重复拍摄得到第二干涉图像；朝同一方向重复进行π/2移相，CCD重复拍摄得到第三干涉图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过移相干涉公式得到被测轴承滚珠上各点的相位信息：
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I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)分别对应三次移相时干涉图像上任意一点(x,y)点的光强；
通过泽尼克多项式拟合，对得到的离散的面型相位信息进行处理，得到完整的相位信息：
<mrow>
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其中，Zn为泽尼克多项式，an为拟合得到的泽尼克系数，N为拟合采用的泽尼克多项式总项数；
对于待侧面上每一点(x,y)，对泽尼克拟合结果的倾焦、离焦所造成的像差进行剔除，得到准确的轴承滚珠面型相位误差信息：
φ(x,y)＝φk(x,y)-a1Z1-a2Z2-a4Z4
其中φk(x,y)为原始拟合结果，φ(x,y)为最终拟合结果，Z1，Z2，Z4与a1，a2，a4分别为泽尼克多项式第1，2，4项与相对应的拟合得到的泽尼克系数；
将每一点的相位信息转化为面型信息：
<mrow>
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其中λ为稳频激光器(1)出射波长；得到最终的测量结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170901 |
|
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