CN115420221B - 基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法，此方法采用激光多普勒测速仪确定测量区域，并令位于机床上的工件在此测量区域内进行在线测量。与传统的测量方法相比，本发明的方法首先测出工件各截面的半径，从而，确定出圆柱零件的直线度与锥度，而且，该方法不受导轨误差运动的影响，具有自校准功能，测量准确性高，而且能给出工件的绝对半径。

Description

基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术，具体涉及一种基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法。

背景技术

轴类零件被广泛应用于各类机械系统中，且往往发挥着关键性的作用，例如，静压轴承、主轴检棒、活塞/缸体等，其形位精度在很大程度上决定了系统的性能。此类零件一般由车床车削加工得到。然而，由于车床Z轴的误差运动，圆柱类工件不可避免地存在圆柱直线度误差，如图1所示，这是其最主要的加工误差分量。

误差补偿有潜力成为降低圆柱直线度误差的有效途径之一，然而，为确保补偿效果，首要关键在于圆柱直线度的精确测量。目前，圆柱直线度一般在圆度仪上离线测量。其测量结果的准确性由导轨的精度来保障。然而，实施误差补偿时，若采用离线的方式测量加工误差，则工件需要重复拆装。这不仅将导致测量与补偿过程繁琐，而且，会影响测量精度与补偿效果。因此，理想的做法是在车床上直接进行工件圆柱直线度的测量，构建起加工、测量与补偿的一体化制造系统。但是，此时，车床直线导轨的直线度误差则会叠加到圆柱直线度的测量结果中，引入不可忽略的系统测量偏差。为了确保车削工件圆柱直线度在位测量结果的准确性，必须采用自校准测量技术。

误差分离是一种经典自校准测量技术，它可将直线轴的误差运动和工件的圆柱直线度分离开来，消除Z轴导轨误差对圆柱直线度测量结果的影响。

常用的直线度误差分离方法有：翻转法、两点法、三点法及其衍生方法。其中，翻转法的测量精度依赖于导轨误差运动的重复性，然而，事实上，导轨误差总是存在很大的异步误差分量(非重复性分量)，限制了其测量精度。在基于傅里叶算法的两点法与三点法中，为确保算法的准确性，工件的直线度轮廓必须是以测量长度为周期的函数，然而，事实并非如此。为此，学者提出了修正的两点法(需3个传感器)与修正的三点法(需5个传感器)。需要指出，修正后的算法仍存在谐波抑制等问题，制约其测量精度。可见，误差分离方法或需要较多传感器，且算法复杂，故难以在工程实践中推广应用。此外，需要指出，基于位移传感器的圆柱直线度测量方法还存在以下几个问题：①只能测得工件半径的相对变化，而无法给出其绝对半径，及半径偏差；②在车床上，无法确定出由于Z轴导轨与主轴回转轴线不平行所引起的工件锥度。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法。此基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方具有自校闪的功能，测量精度高。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法，包括以下步骤：

S1、采用激光多普勒测速仪构成一组间距为d的干涉条纹，此干涉条纹构成测量区域；

S2、将工件表面置于测量区域，且工件表面切割干涉条纹，以产生散射光；采用光电探测器采集散射光的信号，并对此信号进行处理得到多普勒频率f_d，再计算得到工件的表面切速度v＝d·f_d；

S3、采用电容传感器测量工件的转频信号n(t0，再对转频信号n(t)进行傅里叶变换：

N(f)＝F(n(t0)

式中，N(f)为n(t)的傅里叶系数；

取N(f)的一阶频率，则工件的实际转动频率f_n；

S4、根据截面的绝对半径、转动频率和切速度的关系，计算该截面的对绝半径：

R＝v/2πf_n；

S5、将工件沿工件的轴线方向移动m次，每次移动一定的距离，且每移动一次时重复步骤S2～S5，以截面Z_j的绝对半径从而获得工件的圆柱直线度；其中j为工件第j次移动的次数，0＜j≤m。

步骤S1中，得到测量区域的具体过程如下：

启动激光多普勒测速仪的激光源以产生波长稳定的激光，此激光通过激光多普勒测速仪的准直透镜产生平行的激光束，激光束再通过激光多普勒测速仪的透射光栅以产生多级激光束，多级激光束再通过激光多普勒测速仪的第一消色差透镜将变成平行光，利用光阑取其中的正负一阶衍射光，然后经激光多普勒测速仪的第二消色差透镜将正负一阶衍射光聚焦，在聚焦点处产生一组间距为d的干涉条纹，以形成测量区域。

步骤S2中的切速度的具体过程如下所示：

S2-1、令光电探测器采集散射光的信号为x(t)，对x(t)作带通滤波和消除直流分量处理，得到修正信号x₁(t)：

其中，D为光电探测器的接收光面积；f_d为多普勒频率；E_S、E_L和分别为两束激光产生的散射光的幅值和相位；

S2-2、对修正信号x₁(t)作傅里叶变换，得到频域信号X₁(f)：

X₁(f)＝F(x₁(t))

其中，X₁(f)为x₁(t)的傅里叶系数；

S2-3、对频域信号X₁(f)进行高斯拟合得到拟合信号G（X₁(f))，拟合信号的峰值对应的频率为多普勒频率f_d；

S2-4、基于多普勒频率f_d得切速度：v＝d·f_d。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明基于位移传感器测量圆柱直线度的方法相比，不需要用多个位移传感器即可做到误差分离的目的，具有自校准的功能。

2、本发明利用激光多普勒测速仪确定测量区域，并基于此测量区域对工件进行测量，因激光多普勒测速仪具有空间测量分辨率高的特点，提高了没体的测量精度，以达到纳米级别的水平。

3、本发明能准确测得圆柱的直线度与锥度，不受导轨误差的影响，且能给出工件的绝对半径。

附图说明

图1是圆柱直线度误差的示意图。

图2是本发明的激光多普勒测速传感器的光路结构示意图。

图3是本发明的条纹间距标定演示图。

图4是本发明的圆柱直线度测量结果演示图。

其中，1为激光源，2为透射光栅，3为光阑，4为第一消色差透镜，5为第二消色差透镜，6为干涉条纹，7为工件，8为光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法，包括以下步骤：

S1、采用激光多普勒测速仪构成一组间距为d的干涉条纹，此干涉条纹构成测量区域；

具体的，如图2所示，启动激光多普勒测速仪的激光源以产生波长稳定的激光，此激光通过激光多普勒测速仪的准直透镜产生平行的激光束，激光速再通过激光多普勒测速仪的透射光栅以产生多级激光束，多级激光束再通过激光多普勒测速仪的第一消色差透镜将变成平行光，利用光阑取其中的正负一阶衍射光，然后经激光多普勒测速仪的第二消色差透镜将正负一阶衍射光聚焦，在聚焦点处产生一级间距为d的干涉条纹，以形成测量区域。

而根据理论得到的条纹间距是定值，由于激光光强呈高斯分布以及其固有的传播特性原因，实际的干涉条纹间距呈梯度分布。为此，必须通过实验对条纹间距进行校准，从而减少误差。减少误差的方法如下：

由消色差透镜的焦距l₁可确定测量区域的空间位置，从示波器上漫散射光的频域信号上是否出现明显的被调制频率来确定测量区域的长度，并记为L＝y₀₂-y₀₁。然后计算L内不同水平位置的条纹间距。此时被测工件的转动频率和截面半径被认为是理论值，然后通过水平滑轨使工件从位置y₀₁到y₀₂移动，均匀移动工件n次，每次移动Δy的距离，将每次移动到第i个位置时记为y_i，通过信号处理得到的多普勒频率因条纹间距的不同随之发生变化，得到此时的多普勒频率估计值记为f_d,i，则第i个位置的条纹间距记为d_i：

d_i＝v/f_d,i

其中，由于工件转频和半径是被认为是理论值，速度由式v＝2πrf_n得出；i＝1,2,…,n，由此可确定条纹间距的分布。取平均值作为实验条纹间距的标定值d_mean：

如图3所示。

本实施例中经过理论计算条纹间距d＝1.667μm。经过实验校准后的条纹间距d_mean＝1.688μm。实际计算过程中采用的是标定条纹间距d_mean。

S2、将工件表面置于测量区域，且工件表面切割干涉条纹，以产生散射光；采用光电探测器采集散射光的信号，并对此信号进行处理得到多普勒频率f_d，再计算得到工件的表面切速度v＝d·f_d；

切速度的具体过程如下所示：

S2-1、令光电探测器采集散射光的信号为x(t)，对x(t)作带通滤波和消除直流分量处理，得到修正信号x₁(t)：

其中，D为光电探测器的接收光面积；f_d为多普勒频率；E_S、E_L和分别为两束激光产生的散射光的幅值和相位；

S2-2、对修正信号x₁(t)作傅里叶变换，得到频域信号X₁(f)：

X₁(f)＝F(x₁(t))

其中，X₁(f)为x₁(t)的傅里叶系数；

S2-3、对频域信号X₁(f)进行高斯拟合得到拟合信号G(X₁(f))，拟合信号的峰值对应的频率为多普勒频率f_d；

S2-4、基于多普勒频率f_d得切速度：v＝d·f_d。

S3、采用电容传感器测量工件的转频信号n(t)，再对转频信号n(t)进行傅里叶变换：

N(f)＝F(n(t))

式中，N(f)为n(t)的傅里叶系数；

取N(f)的一阶频率，则工件的实际转动频率f_n；

具体的，先将电容传感器安装在机床的磁座上，并将工件调整到电容传感器的测量范围。在测时，转动工件，电容传感器测量工件的转频信号n(t)。

S4、根据截面的绝对半径、转动频率和切速度的关系，计算该截面的对绝半径：

R＝v/2πf_n；

S5、将工件沿工件的轴线方向移动m次，每次移动一定的距离，且每移动一次时重复步骤S2～S5，以截面Z_j的绝对半径从而获得工件的圆柱直线度；其中j为工件第j次移动的次数，0＜j≤m。如图4所示。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于激光多普勒测速仪的圆柱直线度在位自校准测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用激光多普勒测速仪构成一组间距为d的干涉条纹，此干涉条纹构成测量区域；

S2、将工件表面置于测量区域，且工件表面切割干涉条纹，以产生散射光；采用光电探测器采集散射光的信号，并对此信号进行处理得到多普勒频率f_d，再计算得到工件的表面切速度v＝d·f_d；

S3、采用电容传感器测量工件的转频信号n(t)，再对转频信号n(t)进行傅里叶变换：

N(f)＝F(n(t))

式中，N(f)为n(t)的傅里叶系数；

取N(f)的一阶频率，则工件的实际转动频率f_n；

S4、根据截面的绝对半径、转动频率和切速度的关系，计算该截面的绝对半径：

R＝v/2πf_n；

S5、将工件沿工件的轴线方向移动m次，每次移动一定的距离，且每移动一次时重复步骤S2～S5，以截面Z_j的绝对半径从而获得工件的圆柱直线度；其中j为工件第j次移动的次数，0＜j≤m；

步骤S1中，得到测量区域的具体过程如下：

启动激光多普勒测速仪的激光源以产生波长稳定的激光，此激光通过激光多普勒测速仪的准直透镜产生平行的激光束，激光束再通过激光多普勒测速仪的透射光栅以产生多级激光束，多级激光束再通过激光多普勒测速仪的第一消色差透镜将变成平行光，利用光阑取其中的正负一阶衍射光，然后经激光多普勒测速仪的第二消色差透镜将正负一阶衍射光聚焦，在聚焦点处产生一组间距为d的干涉条纹，以形成测量区域；

步骤S2中的切速度的具体过程如下所示：

S2-1、令光电探测器采集散射光的信号为x(t)，对x(t)作带通滤波和消除直流分量处理，得到修正信号x₁(t)：

其中，D为光电探测器的接收光面积；f_d为多普勒频率；E_S、E_L和分别为两束激光产生的散射光的幅值和相位；

S2-2、对修正信号x₁(t)作傅里叶变换，得到频域信号X₁(f)：

X₁(f)＝F(x₁(t))

其中，X₁(f)为x₁(t)的傅里叶系数；

S2-3、对频域信号X₁(f)进行高斯拟合得到拟合信号G(X₁(f))，拟合信号的峰值对应的频率为多普勒频率f_d；

S2-4、基于多普勒频率f_d得切速度：v＝d·f_d。