CN113670196B - 一种无标准棒的精密主轴径向跳动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无标准棒的精密主轴径向跳动测量方法及装置。目前，主轴径向跳动测量常使用标准棒，会在测量系统中引入圆度误差和安装偏心误差。该精密主轴径向跳动测量装置包括激光器安装圆盘、激光器和CMOS传感器。激光器安装圆盘固定在主轴端面上。所述的激光器安装在激光器安装圆盘上。所述的CMOS传感器平面垂直于主轴轴线，且设置在激光器安装圆盘的外侧。本发明通过CMOS传感器与跟随主轴转动的激光器相配合，能够直接获取主轴的径向跳动，测量过程中不需要使用标准棒，故能够避免常用测量方法所需要的偏心误差分离和圆度误差分离技术环节，提高了测量效率。

Description

一种无标准棒的精密主轴径向跳动测量方法及装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种不使用标准棒的精密主轴径向跳动测量方法及装置。

背景技术

机械工业装备的水平和质量，直接影响国民经济各部门生产技术水平和经济效益。近代工业发展迅速，各科技领域的进步都需要制造业支持。目前机床的加工精度要求已逐步向纳米级水平迈进，即超精密加工。精密机床是加工精密零件的必要条件，影响机床加工精度的因素有很多，其中最为关键的是机床的核心部件—精密主轴。有实验研究表明：主轴回转误差对精密机床加工零件精度的影响大约占了所有因素的30％至70％，并且机床精度等级越高，主轴回转误差影响所占比例就越大。径向跳动是主轴回转误差最主要的成分。现今，精密静压气浮主轴的径向跳动达到了10nm以下，如此低的径向跳动对主轴的检测技术提出了更高的要求。

国内外学者提出了一些方法来测量主轴的径向跳动。这些方法往往通过电容式位移传感器或电涡流位移传感器对主轴的径向跳动进行测量，需要安放标准棒在主轴端面上，引入了偏心误差和圆度误差，降低了测量精度，增加了测量系统的复杂性。

发明内容

本发明一种无标准棒的精密主轴径向跳动测量方法和装置，提供了一种基于激光发生器和大尺寸CMOS传感器的精密主轴径向跳动测量方法。该方法在主轴端面上安装激光器，并在主轴外设置CMOS传感器。通过CMOS传感器检测激光器跟随主轴转动至不同位置时射出的激光，得到激光光斑轨迹数据，进而计算主轴的径向跳动。本方法不使用标准棒，避免了偏心误差分离和圆度误差分离问题。

第一方面，本发明提供一种无标准棒的精密主轴径向跳动测量方法，其具体步骤如下：

步骤一、在主轴上安装激光器，并在主轴外设置CMOS传感器；CMOS传感器用于检测跟随主轴转动的激光器射出的激光。激光器启动，主轴带动激光器旋转，CMOS传感器测量激光光斑位置，得到激光光斑轨迹数据集P＝[x_i,y_i]，i＝1,2,3,…,n。n为激光光斑轨迹数据集P的数据点个数；

步骤二、建立目标函数M(a,b,c)如下：

其中，a、b、c为目标函数的三个参数。x_i、y_i分别为激光轨迹数据集P中的第i个数据点的X轴坐标、Y轴坐标；

对目标函数M(a,b,c)求偏导，并令其偏导取0，得到方程式如下：

求解得到参数a、b、c。

步骤三、计算最小二乘圆的圆心坐标(X₀,Y₀)，最小二乘圆半径R₀如下：

X₀＝-0.5a

Y₀＝-0.5b

步骤四、计算激光光斑轨迹数据集P中各个数据点到参考圆圆心O的距离R_i如下：

步骤五、计算主轴径向跳动峰值E_peak和谷值E_valley。

E_peak＝max(E_i)

E_valley＝min(E_i)

其中，E_i＝R_i-R_o，i＝1,2,...,n；

步骤六、计算主轴的圆度误差E_round＝E_peak-E_valley。

不同于标准棒的圆度误差，本发明获得的圆度误差E_round用来评价主轴径向跳动的大小。

作为优选，所述的激光轨迹数据集P包含激光传感器转动一圈时，CMOS传感器检测到的所有数据点(即光斑点)。

第二方面，本发明提供一种无标准棒的精密主轴径向跳动测量装置，其包括激光器安装圆盘、激光器和CMOS传感器。激光器安装圆盘固定在主轴端面上。所述的激光器偏心安装在激光器安装圆盘的端面。所述的CMOS传感器的检测面垂直于主轴轴线，且设置在激光器安装圆盘的外侧。

作为优选，所述的激光器与激光器安装圆盘之间设置有激光器夹具。激光器安装圆盘的外侧面开设有凹槽。激光器夹具与凹槽转动连接，且能够锁紧；激光器夹具能够通过转动来调节激光器的发射方向。

作为优选，所述CMOS传感器的测量过程如下：CMOS传感器的曝光时间设置为主轴的旋转周期，曝光一次将记录下主轴回转一周时CMOS传感器检测到的各数据点坐标；各数据点形成一个圆形的光斑轨迹。利用各数据点坐标计算主轴的径向跳动。

本发明具有的有益效果：

1、本发明通过CMOS传感器与跟随主轴转动的激光器相配合，能够获取主轴的径向跳动，舍弃了现有主轴径向跳动测量装置所使用的标准棒，从而避免了常用测量方法所需要的偏心误差分离和圆度误差分离技术环节，提高了测量效率。

2、本发明采用旋转机构实现了激光器激光出射方向的可调节，可根据感光元器件的大小对激光器的出射方向进行调节，从而实现对激光光斑划出轨迹的基圆大小进行调节。

附图说明

图1是本发明采用的测量装置的整体结构示意图；

图2是本发明采用的测量装置中主轴与机架的连接示意图；

图3是本发明中激光器的安装示意图；

图4是本发明的测量原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

实施例1

如图1、2和3所示，一种无标准棒的精密主轴径向跳动测量方法，采用的测量装置包括激光器安装圆盘3、激光器夹具4、激光器5和CMOS传感器6。进行测量时，激光器安装圆盘3同轴固定在被测量的主轴2的端面。主轴2支承在机架1上，且能够在动力元件的驱动下旋转。激光器夹具4安装在激光器安装圆盘3的外侧面。激光器安装在激光器夹具4上。具体地，激光器安装圆盘3的外侧面开设有凹槽。激光器夹具4与凹槽转动连接，且能够锁紧；激光器夹具4能够通过转动来调节激光器5的出射方向。

CMOS传感器6间隔设置在激光器安装圆盘3的外侧，且能够检测到激光器5发出的激光，从而实时获取激光器5的所在位置。当主轴2转动时，激光器5跟随主轴2进行圆周运动，激光器5射出的激光在CMOS传感器6上画出圆形轨迹。CMOS传感器6实时检测激光光斑的位置。根据CMOS传感器6检测到的激光器5光斑的轨迹即可分离得到主轴2的径向跳动。所述激光器发出的激光的光斑直径应尽量小，例如光斑直径为1μm。CMOS传感器的像素尺寸应尽量小，例如单像素宽度0.7μm。CMOS传感器尺寸较大，例如画幅尺寸100mm×100mm。

如图4所示，假设此时主轴上的激光器处于主轴轴线正上方，实线方框表示主轴的理想位置，虚线方框表示主轴产生了竖直方向跳动后的位置。通过图4可以看到，两条平行的激光将主轴竖直方向的跳动Δδ等值地映射到了CMOS传感器6上。同理可推理至主轴水平和平面任意方向的跳动。根据此原理从而实现主轴径向跳动的测量。

该无标准棒的精密主轴径向跳动测量方法，具体步骤如下：

步骤一、通过CMOS传感器6和跟随主轴转动的激光器5，能够获得一个圆形的光斑轨迹。基于最小二乘原理对光斑的轨迹进行径向跳动计算，上述求取的光斑轨迹数据集P＝[x_i,y_i]，i＝1,2,3,…,n。n为光斑轨迹数据集P的数据点个数；光斑轨迹数据集P包含激光发生器转动一圈时，CMOS传感器6检测到的所有光斑点。

步骤二、根据最小二乘法原理，目标函数M(a,b,c)可以表述为：

其中，a、b、c为目标函数的三个参数。x_i、y_i分别为光斑轨迹数据集P中的第i个数据点的X轴坐标、Y轴坐标；

对目标函数M(a,b,c)求偏导，令其偏导取0，得到极值点，方程式如下：

求解得到参数a、b、c。

步骤三、根据参数a、b、c，进一步解得最小二乘圆的圆心坐标(X₀,Y₀)，最小二乘圆半径R₀如下：

X₀＝-0.5a

Y₀＝-0.5b

步骤四、计算光斑轨迹数据集P中每一数据点到参考圆圆心O的距离R_i，表达式如下：

R_i与R₀的差值能够描述光斑轨迹上的各数据点和最小二乘参考圆轮廓的距离。

步骤五、计算主轴径向跳动峰值E_peak和谷值E_valley。

E_peak＝max(E_i)

E_valley＝min(E_i)

其中，max(·)为取最大值运算；min(·)为取最小值运算；E_i为第i个数据点的径向误差，其表达式为E_i＝R_i-R_o，i＝1,2,...,n。

步骤六、计算主轴转动的圆度误差E_round如下：

E_round＝E_peak-E_valley

不同于标准棒的圆度误差，本发明获得的圆度误差E_round用来评价主轴径向跳动的大小。

Claims (5)

1.一种无标准棒的精密主轴回转误差测量方法，其特征在于：步骤一、在主轴上偏心安装激光器(5)，并设置CMOS传感器(6)；CMOS传感器(6)用于检测跟随主轴转动的激光器(5)射出的激光；激光器(5)启动，主轴带动激光器(5)旋转，CMOS传感器(6)检测激光器(5)跟随主轴转动至不同位置时射出的激光，得到激光轨迹数据集P＝[x_i,y_i]，i＝1,2,3,…,n；n为激光轨迹数据集P的数据点个数；

步骤二、建立目标函数M(a,b,c)如下：

其中，a、b、c为目标函数的三个参数；x_i、y_i分别为激光轨迹数据集P中的第i个数据点的X轴坐标、Y轴坐标；

对目标函数M(a,b,c)求偏导，并令其偏导取0，得到方程式如下：

求解得到参数a、b、c；

步骤三、计算最小二乘圆的圆心坐标(X₀,Y₀)，最小二乘圆半径R₀如下：

X₀＝-0.5a

Y₀＝-0.5b

步骤四、计算激光轨迹数据集P中各个数据点到参考圆圆心O的距离R_i如下：

步骤五、计算主轴径向跳动峰值E_peak和谷值E_valley；

E_peak＝max(E_i)

E_valley＝min(E_i)

其中，E_i＝R_i-R_o，i＝1,2,...,n；

步骤六、计算主轴转动的圆度误差E_round＝E_peak-E_valley。

2.根据权利要求1所述的一种无标准棒的精密主轴回转误差测量方法，其特征在于：所述的激光轨迹数据集P包含激光传感器转动一圈时，CMOS传感器(6)检测到的所有数据点。

3.根据权利要求1所述的一种无标准棒的精密主轴回转误差测量方法的测量装置，其特征在于：包括激光器安装圆盘(3)、激光器(5)和CMOS传感器(6)；激光器安装圆盘(3)固定在主轴端面上；所述的激光器(5)偏心安装在激光器安装圆盘(3)的端面；所述的CMOS传感器(6)的检测面垂直于主轴轴线，且设置在激光器安装圆盘(3)的外侧。

4.根据权利要求3所述的一种无标准棒的精密主轴回转误差测量方法的测量装置，其特征在于：所述的激光器(5)与激光器安装圆盘(3)之间设置有激光器夹具；激光器安装圆盘(3)的外侧面偏心开设有凹槽；激光器(5)夹具与凹槽转动连接，且能够锁紧；激光器(5)夹具能够通过转动来调节激光器(5)的发射方向。

5.根据权利要求3所述的一种无标准棒的精密主轴回转误差测量方法的测量装置，其特征在于：所述CMOS传感器(6)的检测过程如下：CMOS传感器(6)的曝光时间设置为主轴的旋转周期，曝光一次将记录下主轴回转一周时CMOS传感器(6)检测到的各数据点坐标；利用各数据点坐标计算主轴的径向跳动。