CN115284227A - 一种芯轴表面质量自动调整检测系统及其工作方法 - Google Patents

一种芯轴表面质量自动调整检测系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

一种芯轴表面质量自动调整检测系统及其工作方法，属于超精密测量技术领域。底座上有运动模组及工业相机成像系统，运动模组上有自动调平机构及传感检测系统，自动调平机构上有载物台，载物台上有芯轴、自动调心机构；自动调平机构及自动调心机构均与传感检测系统及工业相机成像系统数据传输配合设置。方法如下：通过工业相机成像系统初步判定倾斜角度误差并通过调平支腿初步调节；芯轴旋转配合测头计算出倾斜角度误差再精密调平；将芯轴按环形线摆放；通过工业相机成像系统进行初步同心调整；芯轴旋转配合测头计算出偏心误差后精密调整；调整相机使用角度，配合传感检测系统对芯轴进行测量。本发明提高了芯轴测量效率和准确性。

Description

一种芯轴表面质量自动调整检测系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种芯轴表面质量自动调整检测系统及其工作方法，属于超精密测量技术领域。
背景技术
Wolter-I型掠入射成像系统是一种重要的聚焦成像系统。目前X射线天文望远镜、X射线水窗显微镜、极紫外(EUV)光刻系统中的光学收集器中广泛采用Wolter-I型成像系统，它是一种基于二次旋转对称曲面组成的掠入射成像系统。由于单层Wolter-I型聚焦镜的有效面积非常有限，因此，大多数成像系统采用多层嵌套结构来增加有效集光面积。
Wolter-I型掠入射成像系统这种高精度内凹组合式掠入射成像非球面的加工和检验是十分困难的，为了降低加工难度，目前常采用复制工艺制造。
首先利用传统和超精密加工方法制造出与内凹表面形状和精度要求完全一致的芯轴外凸表面，然后利用气象沉积方法复制出聚焦镜反射表面，再经过电铸和脱模等工艺完成聚焦镜的制造。由于芯轴的表面质量与复制的反射表面质量一样高，因此在芯轴的制造过程中需要对其尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标进行多次精确测量，以便为后续复制工艺提供准确可靠的参考数据。
芯轴表面的检测方法有接触式和非接触式两种。
非接触式主要指光学检测方法，光学测量法可以提供很高的分辨率(亚纳米级)，但是测量范围是有限的，常用于测量空间频率尺度较小的微观粗糙度。若要延长测量范围，则通常以牺牲精度为代价。对于空间频率尺度较大的形状误差的测量，常采用子孔径拼接的方法，拼接误差是影响测量精度的关键因素。当工件尺寸增大时，子孔径的数量也随之增加，会导致测量时间长、数据处理复杂、引起误差传递和积累等问题。
接触式测量适用于加工过程中的面形测量，常用的接触测量仪器有三坐标测量仪(CMM)和轮廓仪等。CMM常用于工件尺寸的测量，测量范围大，分辨率可以达到亚微米级。轮廓仪是测量工件二维尺寸、表面轮廓形状、波纹度和粗糙度的常用仪器，具有分辨率高(亚纳米)、垂直测量范围大等优点。
但是，目前常用的接触和非接触测量仪器在正式测量前主要通过人工手动调整工件和测量传感器之间的位置关系，以便获得精准的测量结果，这种人工手动调整需要操作者具有丰富的实践经验，而且调整过程需要多次重复进行，完成一次测量耗时较长，降低了检测效率。
另外，常用测量仪器各有所长，有的适合大尺寸测量，有的适合微小范围评价，致使芯轴在制造过程中需要使用多个测量仪器完成表面质量检验，涉及多次调整，降低了生产效率，增加了测量过程中人为因素和其它不确定因素的几率，增加了对Wolter-I型芯轴表面进行精确测量的难度。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种芯轴表面质量自动调整检测系统及其工作方法。
实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种芯轴表面质量自动调整检测系统，包括底座、载物台、运动模组、自动调平机构、自动调心机构、工业相机成像系统以及传感检测系统；所述底座上设有运动模组以及工业相机成像系统，所述运动模组上设有自动调平机构以及传感检测系统，所述自动调平机构上设有载物台，所述载物台上放置有芯轴，并载物台上设有自动调心机构；自动调平机构以及自动调心机构均与传感检测系统以及工业相机成像系统数据传输配合设置。
本发明的一种芯轴表面质量自动调整检测系统的工作方法，所述方法包括如下步骤：
S1：通过工业相机成像系统拍摄载物台中心的圆柱标志物，初步判定载物台的倾斜角度误差；若载物台的倾斜角度误差在允许范围内，则进行S3，否则进行S2；
S2：根据S1所得倾斜角度误差，分别调节对应的调平支腿初步调整载物台的倾斜角度误差至工业相机成像系统拍摄合格；
S3：芯轴电机根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后带动芯轴旋转，并用测头在芯轴不同截面测量数据后分别计算出载物台的倾斜角误差，再通过分别调节对应的调平支腿实现精密调平至误差在允许范围内；
S4：将芯轴按载物台上的环形线进行摆放，目测芯轴与环形线同心；
S5：通过工业相机成像系统拍摄载物台上的圆柱标志物以及芯轴的端面，判断芯轴与载物台是否同心；若芯轴与载物台同心，则进行S8，反之，则进行S6；
S6：微型芯轴电机根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后驱动螺纹杆运动，对芯轴与载物台进行初步同心调整至工业相机成像系统拍摄合格；
S7：芯轴电机根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后带动芯轴旋转，同时启动测头采集芯轴上其中一个截面的圆周数据，计算出偏心误差后通过对应的螺纹杆进行芯轴与载物台的精密同心调整至误差在允许范围内；
S8：调整工业相机成像系统中的相机的使用角度，配合传感检测系统对芯轴表面微观粗糙度和波纹度进行精准测量以及对芯轴端面、侧表面进行测量，完成芯轴尺寸、形状轮廓、表面粗糙度和波纹度评价指标的精准测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用了自动调平机构和自动调心机构，通过传感检测系统和工业相机成像系统检测出位置偏差，并将偏差反馈至自动调平机构和自动调心机构，完成测量前芯轴位置的自动调整，解决了芯轴在正式测量前的位置精确调整问题，提高了测量效率和准确性。
2、本发明采用了非接触式的工业相机成像系统和接触式传感检测系统组合的形式，大范围或大尺寸检测采用接触式传感检测系统实现，小范围或微观尺度检测采用工业相机成像系统实现，波纹度等中等尺度或范围的检测可结合实际情况采用两种系统组合的检测形式，解决了Wolter-I型芯轴在加工制造工艺过程中的多指标和多次精确测量问题，提高了芯轴的检测效率，降低了测量过程中人为因素和其它不确定因素的几率，可以更好的实现Wolter-I型芯轴表面快速精确测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；其中：3为X轴电机，4为X轴滑块，5为Y轴电机，13为Z轴电机；
图2是载物台、自动调平机构以及自动调心机构的连接关系爆炸图；
图3是载物台与芯轴的连接关系示意图；
图4是载物台与自动调心机构的连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种芯轴表面质量自动调整检测系统，包括底座1、载物台9、运动模组、自动调平机构、自动调心机构、工业相机成像系统以及传感检测系统；所述底座1上设有运动模组以及工业相机成像系统，所述运动模组上设有自动调平机构以及传感检测系统，所述自动调平机构上设有载物台9，所述载物台9优选为圆盘结构，载物台9上放置有芯轴10，并载物台9上设有自动调心机构；自动调平机构以及自动调心机构均与传感检测系统以及工业相机成像系统数据传输配合设置。
所述底座1优选为花岗岩制作，采用三点支撑，上表面阵列多个螺纹安装孔2，以便与其上部的其他设备安装连接，主要用于稳固承载自动调平机构、自动调心机构以及传感检测系统。
所述运动模组为基于笛卡尔坐标系的XYZ三个方向运动模组，优选为：DNS-HS150全密封直线滑台模组，可定制。一个运动轴采用一套直线运动模组，XYZ三个轴采用三套直线运动模组进行组装。运动模组主要实现芯轴10在测量过程中沿着X方向和Y方向的位置自动调整，以及传感检测系统的测头14沿着Z方向精确定位。
所述工业相机成像系统包括相机支架12和相机11，相机支架12固定在底座1上，工业相机成像系统优选为WP-GE2000索尼CMOS微型工业相机。通过相机11拍摄载物台中心的圆柱标志物24初步判定载物台倾斜角度误差，同时通过相机拍摄载物台中心的圆柱标志物24和芯轴10端面之间的位置关系初步判定调心误差；然后将误差数据传输至自动调平机构或自动调心机构的控制系统进行调整；此外，工业相机成像系统还可对芯轴表面微观粗糙度及波纹度等评价指标进行精准测量。
所述传感检测系统包括测头14以及测量系统15，传感检测系统设置在运动模组的Z轴上，主要用于实现芯轴表面的接触式测量；优选为RENISHAW-OMP60机床。
所述自动调平机构包括支架一7、支架二8、多个调平支腿16以及芯轴电机17；所述支架一7的下端与运动模组的Y轴滑块6通过螺栓固定连接，通过运动模组的Y轴实现载物台9的Y向移动；支架一7的上端通过多个调平支腿16与支架二8可调节连接，多个调平支腿16与支架一7通过螺纹连接，多个调平支腿16沿支架一7的周向均布设置，在支架二8的下端开有多个与调平支腿16一一对应设置的盲孔，多个调平支腿16的上端面与支架二8的盲孔底面采用接触连接，便于多个调平支腿16伸缩调整支架二8，进而使载物台9和芯轴10水平；所述支架二8的上端固定设有竖直设置的芯轴电机17，所述芯轴电机17的输出轴与载物台9同轴固定连接，用于控制载物台9及芯轴10旋转；并所述载物台9通过轴承18与支架二8转动连接，轴承18保证支架二8和载物台9之间的相对回转运动。
所述自动调心机构包括压块19、螺纹杆20以及微型芯轴电机21；所述载物台9上表面的外边缘处沿其周向均布设有多个径向设置的滑槽22，每个所述滑槽22内均滑动插接有压块19，每个所述压块19的上端分别与对应的平行设置的螺纹杆20螺纹旋接，每个所述螺纹杆20的外端分别通过对应的微型芯轴电机21驱动转动，每个所述微型芯轴电机21分别固定在对应的载物台9上。
本发明的一种芯轴表面质量自动调整检测系统的工作方法，所述方法包括如下步骤：
S1：通过工业相机成像系统拍摄载物台9中心的圆柱标志物24，初步判定载物台9的倾斜角度误差；若载物台9的倾斜角度误差在允许范围内，则进行S3，否则进行S2；
S2：根据S1所得倾斜角度误差，分别调节对应的调平支腿16初步调整载物台9的倾斜角度误差至工业相机成像系统拍摄合格；
S3：芯轴电机17根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后带动芯轴10旋转，并用测头14在芯轴10不同截面测量数据后分别计算出载物台9的倾斜角误差，再通过分别调节对应的调平支腿16实现精密调平至误差在允许范围内；
S4：将芯轴10按载物台9上的环形线23进行摆放，目测芯轴10尽可能与环形线23同心；
S5：通过工业相机成像系统拍摄载物台9上的圆柱标志物24以及芯轴10的端面，判断芯轴10与载物台9是否同心；若芯轴10与载物台9同心，则进行S8，反之，则进行S6；
S6：微型芯轴电机21根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后驱动螺纹杆20运动，对芯轴10与载物台9进行初步同心调整至工业相机成像系统拍摄合格；
S7：芯轴电机17根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后带动芯轴10旋转，同时启动测头14采集芯轴10上其中一个截面的圆周数据，计算出偏心误差后通过对应的螺纹杆20进行芯轴10与载物台9的精密同心调整至误差在允许范围内；
S8：调整工业相机成像系统中的相机11的使用角度，配合传感检测系统对芯轴10表面微观粗糙度和波纹度进行精准测量以及对芯轴10端面、侧表面进行测量，完成芯轴尺寸、形状轮廓、表面粗糙度和波纹度评价指标的精准测量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种芯轴表面质量自动调整检测系统，其特征在于：包括底座(1)、载物台(9)、运动模组、自动调平机构、自动调心机构、工业相机成像系统以及传感检测系统；所述底座(1)上设有运动模组以及工业相机成像系统，所述运动模组上设有自动调平机构以及传感检测系统，所述自动调平机构上设有载物台(9)，所述载物台(9)上放置有芯轴(10)，并载物台(9)上设有自动调心机构；自动调平机构以及自动调心机构均与传感检测系统以及工业相机成像系统数据传输配合设置。
2.根据权利要求1所述的一种芯轴表面质量自动调整检测系统，其特征在于：所述自动调平机构包括支架一(7)、支架二(8)、多个调平支腿(16)以及芯轴电机(17)；所述支架一(7)的下端与运动模组的Y轴滑块(6)连接，支架一(7)的上端通过多个调平支腿(16)与支架二(8)可调节连接，所述支架二(8)的上端固定设有竖直设置的芯轴电机(17)，所述芯轴电机(17)的输出轴与载物台(9)同轴固定连接，并所述载物台(9)通过轴承(18)与支架二(8)转动连接。
3.根据权利要求2所述的一种芯轴表面质量自动调整检测系统，其特征在于：所述自动调心机构包括压块(19)、螺纹杆(20)以及微型芯轴电机(21)；所述载物台(9)上表面的外边缘处沿其周向均布设有多个径向设置的滑槽(22)，每个所述滑槽(22)内均滑动插接有压块(19)，每个所述压块(19)的上端分别与对应的平行设置的螺纹杆(20)螺纹旋接，每个所述螺纹杆(20)的外端分别通过对应的微型芯轴电机(21)驱动转动，每个所述微型芯轴电机(21)分别固定在对应的载物台(9)上。
4.一种根据权利要求1-3中任一权利要求所述的芯轴表面质量自动调整检测系统的工作方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：通过工业相机成像系统拍摄载物台(9)中心的圆柱标志物(24)，初步判定载物台(9)的倾斜角度误差；若载物台(9)的倾斜角度误差在允许范围内，则进行S3，否则进行S2；
S2：根据S1所得倾斜角度误差，分别调节对应的调平支腿(16)初步调整载物台(9)的倾斜角度误差至工业相机成像系统拍摄合格；
S3：芯轴电机(17)根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后带动芯轴(10)旋转，并用测头(14)在芯轴(10)不同截面测量数据后分别计算出载物台(9)的倾斜角误差，再通过分别调节对应的调平支腿(16)实现精密调平至误差在允许范围内；
S4：将芯轴(10)按载物台(9)上的环形线(23)进行摆放，目测芯轴(10)与环形线23同心；
S5：通过工业相机成像系统拍摄载物台(9)上的圆柱标志物(24)以及芯轴(10)的端面，判断芯轴(10)与载物台(9)是否同心；若芯轴(10)与载物台(9)同心，则进行S8，反之，则进行S6；
S6：微型芯轴电机(21)根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后驱动螺纹杆(20)运动，对芯轴(10)与载物台(9)进行初步同心调整至工业相机成像系统拍摄合格；
S7：芯轴电机(17)根据工业相机成像系统反馈传输的信号启动后带动芯轴(10)旋转，同时启动测头(14)采集芯轴(10)上其中一个截面的圆周数据，计算出偏心误差后通过对应的螺纹杆(20)进行芯轴(10)与载物台(9)的精密同心调整至误差在允许范围内；
S8：调整工业相机成像系统中的相机(11)的使用角度，配合传感检测系统对芯轴(10)表面微观粗糙度和波纹度进行精准测量以及对芯轴(10)端面、侧表面进行测量，完成芯轴尺寸、形状轮廓、表面粗糙度和波纹度评价指标的精准测量。
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