本發明一種基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置屬于精密儀器制造及測量技術領域。

背景技術：

隨著半導體和超凈加工技術的不斷發展，高速主軸的技術需求日益增加。主軸轉速范圍從幾千轉每分鐘上升到幾萬轉每分鐘，主軸軸系精度也不斷提高，其中，徑向回轉誤差從幾百微米提高到幾十微米甚至幾微米精度。因此，對高速主軸徑向回轉誤差的測量顯得更加重要。主軸回轉誤差也是反映機床動態性能好壞的關鍵指標之一，通過對回轉誤差的測試與分析，可以預測理想加工條件下機床所能達到的最小形狀誤差、表面質量和粗糙度，也可以用于機床加工預測和補償控制，判斷產生加工誤差的原因，以及機床的狀態監測和故障診斷，還可為機床主軸回轉誤差預測、控制提供重要的測試基礎。

目前在高速主軸徑向回轉誤差測量方面，美國雄獅精儀公司的主軸誤差分析儀sea，與我國軍標gjb1801-93提到的方法一致。該方法要想保持測量精度，其采用的電容傳感器的采樣頻率要隨待測主軸轉速提高而增大。例如，當待測主軸的轉速達到60000rpm，即待測主軸軸心點晃動頻率為1khz，要想實現25μm的測量精度，電容傳感器的采樣頻率至少要達到128khz。

可見，這種方法對于電容傳感器的采樣頻率有著非常高的要求，由于高采樣頻率電容傳感器難以獲得，且價格昂貴，因此，如何在不需要高采樣頻率電容傳感器的情況下，實現高轉速主軸徑向回轉誤差高精度測量，是主軸徑向回轉誤差超精密測量領域亟待解決的關鍵技術問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明設計了一種基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置，該裝置不僅不需要高采樣頻率電容傳感器，降低了設備成本，而且能夠實現高轉速主軸徑向回轉誤差的高精度測量。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置，包括：圖像采集器件，標準器，用于夾持標準器的裝夾裝置，待測主軸，基座，龍門支架，x向位移導軌，y向位移導軌和z向位移導軌；其中，x向位移導軌通過龍門支架固定在基座上，y向位移導軌安裝在x向位移導軌上，沿x向位移導軌所在方向移動，z向位移導軌安裝在y向位移導軌上，沿y向位移導軌所在方向移動，圖像采集器件安裝在z向位移導軌上，沿z向位移導軌所在方向移動，標準器通過裝夾裝置安裝在待測主軸的回轉端面上；所述標準器為頂端開有靶標、內部能夠發光的桶狀結構；所述靶標為偏心孔。

上述基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置，有如下關系：

t1＝t2

或

t1＝kt2

其中，圖像采集器件的曝光時間為t1，待測主軸的回轉周期為t2，k為正有理數。

一種基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，由以下步驟組成：

步驟a、點亮標準器；

步驟b、調整x向位移導軌，y向位移導軌和z向位移導軌，使得圖像采集器件能夠對靶標回轉圓周完整成像；

步驟c、控制待測主軸在額定轉速下轉動；

步驟d、在圖像采集器件的曝光時間t1、待測主軸的轉動周期t2之間滿足t1＝t2或t1＝kt2的關系時，圖像采集器件對標準器成像，獲得靶標軌跡圖像；

步驟e、對靶標軌跡圖像進行預處理和靶標軌跡提取；

步驟f、評定靶標軌跡的圓度誤差。

上述基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，步驟e所述的預處理，包括以下步驟：

步驟e1、對每一個像素點[i,j]取大小為n×n的鄰域，分別計算該鄰域的四個子區域灰度分布均勻度，然后將均勻度最小的子區域的均值賦予該像素點；所述子區域灰度分布均勻度有如下公式計算：

v＝∑f²(i,j)-(∑f(i,j))²/n

其中，i、j為某像素點的x坐標和y坐標，f(i,j)為該像素點的灰度值，n＝2k-1，k為正整數；

步驟e2、對步驟e1處理之后的靶標軌跡圖像進行增強，獲取明暗對比清晰的圖像；所述獲取明暗對比清晰圖像的方法通過如下公式實現：

其中，g(i,j)為某像素點變換之后的灰度值，f(i,j)為該像素點變換之前的灰度值，mf為圖像變換之前最大灰度值，mg為圖像變換之后最大灰度值；又0<c<d<mg。

上述基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，步驟e所述的靶標軌跡提取，通過以下步驟實現：

β(a)＝a-(a！b)

其中，a為靶標軌跡圖像，β(a)為提取所得的靶標軌跡，b為一個大小為n×n的結構元素。

上述基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，步驟f所述的評定靶標軌跡的圓度誤差，方法如下：

步驟f1、計算擬合圓半徑r0

其中，(xi,yi)為實際輪廓上各點的坐標，(xo,yo)為擬合圓中心的坐標；

步驟f2、計算靶標軌跡的圓度誤差為：

靶標軌跡的圓度誤差eround即為待測主軸的徑向回轉誤差。

有益效果：

本發明基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置，首先采用具有靶標的標準器，利用靶標軌跡的圓度誤差與待測主軸徑向回轉誤差一致的特性，再通過圖像采集器件記錄靶標軌跡，最后利用靶標軌跡的圓度誤差來描述待測主軸徑向回轉誤差；不同于電容傳感器的是，圖像采集器件中的感光元素能夠并行工作，因此能夠回避高采樣頻率電容傳感器的使用，降低了設備成本；而靶標和圖像采集器件像元的大小都在微米量級，因此又能夠實現高轉速主軸徑向回轉誤差的高精度測量。

附圖說明

圖1是本發明基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置的結構示意圖。

圖2是標準器的結構示意圖。

圖3是本發明基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法的流程圖。

圖4是靶標軌跡與評定軌跡圖像。

圖中：1圖像采集器件、2標準器、3裝夾裝置、4待測主軸、5基座、6龍門支架、7x向位移導軌、8y向位移導軌、9z向位移導軌、10靶標。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明具體實施方式作進一步詳細描述。

具體實施例一

本實施例是基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置實施例。

本實施例的基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置，結構示意圖如圖1所示。該裝置包括：圖像采集器件1，標準器2，用于夾持標準器2的裝夾裝置3，待測主軸4，基座5，龍門支架6，x向位移導軌7，y向位移導軌8和z向位移導軌9；其中，x向位移導軌7通過龍門支架6固定在基座5上，y向位移導軌8安裝在x向位移導軌7上，沿x向位移導軌7所在方向移動，z向位移導軌9安裝在y向位移導軌8上，沿y向位移導軌8所在方向移動，圖像采集器件1安裝在z向位移導軌9上，沿z向位移導軌9所在方向移動，標準器2通過裝夾裝置3安裝在待測主軸4的回轉端面上；所述標準器2為頂端開有靶標10、內部能夠發光的桶狀結構；所述靶標10為偏心孔。具體實施例二

本實施例是基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置實施例。

本實施例的基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量裝置，有如下關系：

t1＝t2

或

t1＝kt2

其中，圖像采集器件1的曝光時間為t1，待測主軸4的回轉周期為t2，k為正有理數。

具體實施例三

本實施例是基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法實施例。

本實施例的基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，流程圖如圖3所示。該方法由以下步驟組成：

步驟a、點亮標準器2；

步驟b、調整x向位移導軌7，y向位移導軌8和z向位移導軌9，使得圖像采集器件1能夠對靶標10回轉圓周完整成像；

步驟c、控制待測主軸4在額定轉速下轉動；

步驟d、在圖像采集器件1的曝光時間t1、待測主軸4的轉動周期t2之間滿足t1＝t2或t1＝kt2的關系時，圖像采集器件1對標準器2成像，獲得靶標軌跡圖像；

步驟e、對靶標軌跡圖像進行預處理和靶標軌跡提取；

步驟f、評定靶標軌跡的圓度誤差。

具體實施例四

本實施例是基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法實施例。

本實施例的基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，在具體實施例三的基礎上，進一步限定步驟e所述的預處理，包括以下步驟：

步驟e1、對每一個像素點[i,j]取大小為n×n的鄰域，分別計算該鄰域的四個子區域灰度分布均勻度，然后將均勻度最小的子區域的均值賦予該像素點；所述子區域灰度分布均勻度有如下公式計算：

v＝∑f²(i,j)-(∑f(i,j))²/n

其中，i、j為某像素點的x坐標和y坐標，f(i,j)為該像素點的灰度值，n＝2k-1，k為正整數；

步驟e2、對步驟e1處理之后的靶標軌跡圖像進行增強，獲取明暗對比清晰的圖像；所述獲取明暗對比清晰圖像的方法通過如下公式實現：

其中，g(i,j)為某像素點變換之后的灰度值，f(i,j)為該像素點變換之前的灰度值，mf為圖像變換之前最大灰度值，mg為圖像變換之后最大灰度值；又0<c<d<mg。

具體實施例五

本實施例是基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法實施例。

本實施例的基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，在具體實施例三的基礎上，進一步限定步驟e所述的靶標軌跡提取，通過以下步驟實現：

β(a)＝a-(a！b)

其中，a為靶標軌跡圖像，β(a)為提取所得的靶標軌跡，b為一個大小為n×n的結構元素。

具體實施例六

本實施例是基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法實施例。

本實施例的基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，在具體實施例三的基礎上，進一步限定步驟f所述的評定靶標軌跡的圓度誤差，方法如下：

步驟f1、計算擬合圓半徑r0

其中，(xi,yi)為實際輪廓上各點的坐標，(xo,yo)為擬合圓中心的坐標；

步驟f2、計算靶標軌跡的圓度誤差為：

靶標軌跡的圓度誤差eround即為待測主軸4的徑向回轉誤差。

具體實施例七

本實施例是基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法實施例。

本實施例的基于靶標軌跡跟蹤的主軸徑向回轉誤差測量方法，將具體實施例三、具體實施例四、具體實施例五和具體實施例六相結合，以一個具體實例來說明本方法，該方法由以下步驟組成：

步驟a、點亮標準器2；

步驟b、調整x向位移導軌7，y向位移導軌8和z向位移導軌9，使得圖像采集器件1能夠對靶標10回轉圓周完整成像；

步驟c、控制待測主軸4在額定轉速下轉動；

步驟d、在圖像采集器件1的曝光時間t1、待測主軸4的轉動周期t2和靶標10的數量n之間滿足t1＝t2的關系時，圖像采集器件1對標準器2成像，獲得靶標軌跡圖像，如圖4中的粗實線所示；

步驟e、對靶標軌跡圖像進行預處理和靶標軌跡提取；其中，預處理采用具體實施例四所述的方法，靶標軌跡提取采用具體實施例五所述的方法；

步驟f、評定靶標軌跡的圓度誤差，采用具體實施例六所述的方法，其中，圖4中的外圓為與運算相對應，圖4中的內圓與相對應。

需要說明的是，以上所有方法實施例，均是在以上所有裝置實施例中的任一個的基礎上實現的。

還需要說明的是，在以上實施例中，只要不矛盾的技術方案都能夠進行排列組合，本領域技術人員能夠根據排列組合的數學知識窮盡所有可能，因此，本發明不再對排列組合后的技術方案進行一一說明，但應該理解為排列組合后的技術方案已經被本發明所公開。