CN108168461A - 一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置与方法属于精密仪器制造及测量技术领域；该装置包括待测主轴，光栅，装夹装置，激光器，凸透镜，折光元件，光电转换器，信号处理电路和上位机；该方法首先确定等分角半径位置，再调整激光器、凸透镜与折光元件的位置，调整光电转换器与凸透镜之间距离，将获得的干涉信号转换为电学信息，对接收到的信号进行辨向计数及矢量合成并解调出光栅的位移信息，最后评定待测主轴的径向回转误差；本发明利用衍射光栅将主轴的径向回转误差转化为衍射干涉光斑的位移，利用光电转换器获取光斑的位移信息，从而规避了高采样频率的电容传感器难以获得的困境，实现了高速主轴径向回转误差的精密测量。
Description
技术领域
本发明一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置与方法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对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，可见，对高速主轴径向回转误差的精密测量显得更加重要。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，不仅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，而且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其测量主轴转速可高于60000rpm，测量精度可达25μm，但是其测量方法同国军标GJB1801-93提到的方法一致，其电容传感器采样频率最高10KHz，如果转速达到60000rpm，那么主轴轴心点晃动频率为1KHz，按照国军标GJB1801-93圆度评定标准，电容传感器采样频率至少高于128KHz，10KHz仅能将测出小波数，无法测出轴系高频晃动量，所以无法实现高精度测量。
光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备之中。光栅测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹和衍射干涉原理。基于衍射干涉原理的光栅测量系统作为一种典型的位移传感器具有测量分辨率高、精度高、成本低等众多优点。
发明内容
为了测量高速主轴径向回转误差，本发明公开了一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置与方法，能够充分发挥光栅测量的技术优势，利用衍射光栅将主轴的径向回转误差转化为衍射干涉光斑的位移，利用光电转换器获取光斑的位移信息，从而规避了高采样频率的电容传感器难以获得的困境，实现了高速主轴径向回转误差的精密测量。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置，包括：待测主轴，光栅，用于装夹光栅的装夹装置，激光器，凸透镜，折光元件，光电转换器，信号处理电路和上位机；其中，光栅通过装夹装置固定在待测主轴的回转端面上，凸透镜和折光元件位于激光器与光栅之间，凸透镜和折光元件的光学轴线与激光器产生的激光同轴；所述待测主轴的回转端面，光栅和装夹装置的轴线重合；所述光栅为具有环形结构的反射式衍射光栅；每个同轴设置的激光器，凸透镜和折光元件为一组，所述组的数量为n，n满足：n≥2，组的安装位置位于光栅的等分角半径，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径；
测量原理为，激光器发出的激光依次经过凸透镜和折光元件后垂直入射到光栅上，光栅产生的正负级衍射光再依次经过折光元件和凸透镜后汇聚到光电转换器的工作面上，形成拍频干涉信号，所述拍频干涉信号经过信号处理电路的处理转变成待测主轴的径向回转误差信息，所述径向回转误差信息通过上位机输出。
一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，包括以下步骤：
步骤a、根据激光器的个数确定等分角半径位置，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径，n为激光器的个数；
步骤b、调整激光器、凸透镜与折光元件的位置，使凸透镜和折光元件的光学轴线与激光器产生的激光同轴，使激光器发出的激光依次通过凸透镜和折光元件后垂直入射到光栅的等分角半径上；
步骤c、调整光电转换器与凸透镜之间的距离，使光栅产生的正负极衍射光经过折光元件和凸透镜后，在光电转换器的工作面上形成拍频干涉信号；
步骤d、光电转换器将获得的干涉信号的光学信息以特定采样频率f转换为电学信息传送给信号处理电路；
步骤e、信号处理电路对接收到的信号进行辨向计数以及矢量合成，解调出光栅的位移信息；
步骤f、上位机输出光栅的位移信息，即待测主轴的径向误差信息；
步骤g、评定待测主轴的径向回转误差。
上述基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，步骤d所述的光电转换器的采样频率f与主轴回转周期T之间存在如下关系：T＝k/f，其中，k为正整数。
上述基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，步骤e所述的矢量合成包括以下步骤：
步骤e1、根据激光器的个数n，由相邻等分角半径所在的直线两两组合，形成n-1个坐标系，坐标系的两轴的夹角为α，有：α＝180°/n；
步骤e2、根据检测到待测主轴的径向位移两两进行矢量合成，合成的矢量即为该坐标系下待测主轴的径向回转误差，合成的矢量与等分径向线上检测到的的径向位移有如下关系：
其中，A1和A2分别为两个等分角半径方向的径向位移模，A为合成矢量方向的径向位移模；α为相邻两个等分角半径的夹角；β和θ分别为合成矢量方向与两个等分角半径方向的夹角。
上述基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，步骤f所述评定待测主轴的径向回转误差E为：E＝max(A)，其中，max()表示取最大值。
有益效果：
第一、本发明根据径向回转误差的测量原理，通过将衍射光栅和光电转换器件的组合的方法，将主轴的径向回转误差转化为衍射干涉光斑的位移，利用光电转换器件具有高采样频率的特性，而非采用价值高达百万元的高采样频率电容传感器对高速主轴动态径向回转误差进行测量，大大减少了测量装置的制造成本。
第二、本发明提出的测量方法中的核心器件之一是衍射光栅，基于衍射干涉原理的光栅测量系统作为一种典型的位移传感器具有测量分辨率高、精度高、成本低等众多优点。该方法的测量精度即由衍射光栅决定，通过提高衍射光栅的刻线密度可以获得远大于基于电容传感器测量装置所获得的测量精度。
附图说明
图1是本发明基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置的结构示意图。
图2是光栅的结构示意图。
图3是本发明一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法的流程图。
图中：1待测主轴，2光栅，3装夹装置，4激光器，5凸透镜，6折光元件，7光电转换器，8信号处理电路，9上位机。
具体实施例
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例是基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置的实施例。
本实施例的基于衍射光栅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：待测主轴1，光栅2，用于装夹光栅2的装夹装置3，激光器4，凸透镜5，折光元件6，光电转换器7，信号处理电路8和上位机9；其中，光栅2通过装夹装置3固定在待测主轴1的回转端面上，凸透镜5和折光元件6位于激光器4与光栅2之间，凸透镜5和折光元件6的光学轴线与激光器4产生的激光同轴；所述待测主轴1的回转端面，光栅2和装夹装置3的轴线重合；所述光栅2为具有环形结构的反射式衍射光栅，结构示意图如图2所示；每个同轴设置的激光器4，凸透镜5和折光元件6为一组，所述组的数量为n，n满足：n≥2，组的安装位置位于光栅2的等分角半径，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径；
测量原理为，激光器4发出的激光依次经过凸透镜5和折光元件6后垂直入射到光栅2上，光栅2产生的正负级衍射光再依次经过折光元件6和凸透镜5后汇聚到光电转换器7的工作面上，形成拍频干涉信号，所述拍频干涉信号经过信号处理电路8的处理转变成待测主轴1的径向回转误差信息，所述径向回转误差信息通过上位机9输出。
具体实施例二
本实施例是基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法的实施例。
本实施例的基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，在具体实施例一所述的基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置上实现，该方法流程图如图3所示，包括以下步骤：
步骤a、根据激光器4的个数确定等分角半径位置，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径，n为激光器4的个数；
步骤b、调整激光器4、凸透镜5与折光元件6的位置，使凸透镜5和折光元件6的光学轴线与激光器4产生的激光同轴，使激光器4发出的激光依次通过凸透镜5和折光元件6后垂直入射到光栅2的等分角半径上；
步骤c、调整光电转换器7与凸透镜5之间的距离，使光栅2产生的正负极衍射光经过折光元件6和凸透镜5后，在光电转换器7的工作面上形成拍频干涉信号；
步骤d、光电转换器7将获得的干涉信号的光学信息以特定采样频率f转换为电学信息传送给信号处理电路8；
步骤e、信号处理电路8对接收到的信号进行辨向计数以及矢量合成，解调出光栅2的位移信息；
步骤f、上位机9输出光栅2的位移信息，即待测主轴1的径向误差信息；
步骤g、评定待测主轴1的径向回转误差。
具体实施例三
本实施例是基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法的实施例。
本实施例的基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，在具体实施例二的基础上，进一步限定步骤d所述的光电转换器的采样频率f与主轴回转周期T之间存在如下关系：T＝k/f，其中，k为正整数。
具体实施例四
本实施例是基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法的实施例。
本实施例的基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，在具体实施例二的基础上，进一步限定步骤e所述的矢量合成包括以下步骤：
步骤e1、根据激光器4的个数n，由相邻等分角半径所在的直线两两组合，形成n-1个坐标系，坐标系的两轴的夹角为α，有：α＝180°/n；
步骤e2、根据检测到待测主轴1的径向位移两两进行矢量合成，合成的矢量即为该坐标系下待测主轴1的径向回转误差，合成的矢量与等分径向线上检测到的的径向位移有如下关系：
其中，A1和A2分别为两个等分角半径方向的径向位移模，A为合成矢量方向的径向位移模；α为相邻两个等分角半径的夹角；β和θ分别为合成矢量方向与两个等分角半径方向的夹角。
具体实施例五
本实施例是基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法的实施例。
本实施例的基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，在具体实施例二的基础上，进一步限定步骤f所述评定待测主轴1的径向回转误差E为：E＝max(A)，其中，max()表示取最大值。
Claims (5)
1.一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置，其特征在于，包括：待测主轴(1)，光栅(2)，用于装夹光栅(2)的装夹装置(3)，激光器(4)，凸透镜(5)，折光元件(6)，光电转换器(7)，信号处理电路(8)和上位机(9)；其中，光栅(2)通过装夹装置(3)固定在待测主轴(1)的回转端面上，凸透镜(5)和折光元件(6)位于激光器(4)与光栅(2)之间，凸透镜(5)和折光元件(6)的光学轴线与激光器(4)产生的激光同轴；所述待测主轴(1)的回转端面，光栅(2)和装夹装置(3)的轴线重合；所述光栅(2)为具有环形结构的反射式衍射光栅；每个同轴设置的激光器(4)，凸透镜(5)和折光元件(6)为一组，所述组的数量为n，n满足：n≥2，组的安装位置位于光栅(2)的等分角半径，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径；
测量原理为，激光器(4)发出的激光依次经过凸透镜(5)和折光元件(6)后垂直入射到光栅(2)上，光栅(2)产生的正负级衍射光再依次经过折光元件(6)和凸透镜(5)后汇聚到光电转换器(7)的工作面上，形成拍频干涉信号，所述拍频干涉信号经过信号处理电路(8)的处理转变成待测主轴(1)的径向回转误差信息，所述径向回转误差信息通过上位机(9)输出。
2.一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、根据激光器(4)的个数确定等分角半径位置，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径，n为激光器(4)的个数；
步骤b、调整激光器(4)、凸透镜(5)与折光元件(6)的位置，使凸透镜(5)和折光元件(6)的光学轴线与激光器(4)产生的激光同轴，使激光器(4)发出的激光依次通过凸透镜(5)和折光元件(6)后垂直入射到光栅(2)的等分角半径上；
步骤c、调整光电转换器(7)与凸透镜(5)之间的距离，使光栅(2)产生的正负极衍射光经过折光元件(6)和凸透镜(5)后，在光电转换器(7)的工作面上形成拍频干涉信号；
步骤d、光电转换器(7)将获得的干涉信号的光学信息以特定采样频率f转换为电学信息传送给信号处理电路(8)；
步骤e、信号处理电路(8)对接收到的信号进行辨向计数以及矢量合成，解调出光栅(2)的位移信息；
步骤f、上位机(9)输出光栅(2)的位移信息，即待测主轴(1)的径向误差信息；
步骤g、评定待测主轴(1)的径向回转误差。
3.根据权利要求2所述的一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，步骤d所述的光电转换器的采样频率f与主轴回转周期T之间存在如下关系：T＝k/f，其中，k为正整数。
4.根据权利要求2所述的一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，步骤e所述的矢量合成包括以下步骤：
步骤e1、根据激光器(4)的个数n，由相邻等分角半径所在的直线两两组合，形成n-1个坐标系，坐标系的两轴的夹角为α，有：α＝180°/n；
步骤e2、根据检测到待测主轴(1)的径向位移两两进行矢量合成，合成的矢量即为该坐标系下待测主轴(1)的径向回转误差，合成的矢量与等分径向线上检测到的的径向位移有如下关系：
其中，A1和A2分别为两个等分角半径方向的径向位移模，A为合成矢量方向的径向位移模；α为相邻两个等分角半径的夹角；β和θ分别为合成矢量方向与两个等分角半径方向的夹角。
5.根据权利要求2所述的一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，步骤f所述评定待测主轴(1)的径向回转误差E为：E＝max(A)，其中，max()表示取最大值。
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