本發(fā)明一種基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置屬于精密儀器制造及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體和超凈加工技術(shù)的不斷發(fā)展，高速主軸的技術(shù)需求日益增加。主軸轉(zhuǎn)速范圍從幾千轉(zhuǎn)每分鐘上升到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘，主軸軸系精度也不斷提高，其中，徑向回轉(zhuǎn)誤差從幾百微米提高到幾十微米甚至幾微米精度。因此，對(duì)高速主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的測(cè)量顯得更加重要。主軸回轉(zhuǎn)誤差也是反映機(jī)床動(dòng)態(tài)性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一，通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)誤差的測(cè)試與分析，可以預(yù)測(cè)理想加工條件下機(jī)床所能達(dá)到的最小形狀誤差、表面質(zhì)量和粗糙度，也可以用于機(jī)床加工預(yù)測(cè)和補(bǔ)償控制，判斷產(chǎn)生加工誤差的原因，以及機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，還可為機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差預(yù)測(cè)、控制提供重要的測(cè)試基礎(chǔ)。

目前在高速主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方面，美國(guó)雄獅精儀公司的主軸誤差分析儀sea，與我國(guó)軍標(biāo)gjb1801-93提到的方法一致。該方法要想保持測(cè)量精度，其采用的電容傳感器的采樣頻率要隨待測(cè)主軸轉(zhuǎn)速提高而增大。例如，當(dāng)待測(cè)主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到60000rpm，即待測(cè)主軸軸心點(diǎn)晃動(dòng)頻率為1khz，要想實(shí)現(xiàn)25μm的測(cè)量精度，電容傳感器的采樣頻率至少要達(dá)到128khz。

可見，這種方法對(duì)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(jià)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(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差高精度測(cè)量，是主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差超精密測(cè)量領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)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(shè)備成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的高精度測(cè)量。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置，包括：圖像采集器件，標(biāo)準(zhǔn)器，用于夾持標(biāo)準(zhǔn)器的裝夾裝置，待測(cè)主軸，基座，龍門支架，x向位移導(dǎo)軌，y向位移導(dǎo)軌和z向位移導(dǎo)軌；其中，x向位移導(dǎo)軌通過(guò)龍門支架固定在基座上，y向位移導(dǎo)軌安裝在x向位移導(dǎo)軌上，沿x向位移導(dǎo)軌所在方向移動(dòng)，z向位移導(dǎo)軌安裝在y向位移導(dǎo)軌上，沿y向位移導(dǎo)軌所在方向移動(dòng)，圖像采集器件安裝在z向位移導(dǎo)軌上，沿z向位移導(dǎo)軌所在方向移動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)器通過(guò)裝夾裝置安裝在待測(cè)主軸的回轉(zhuǎn)端面上；所述標(biāo)準(zhǔn)器為頂端開有靶標(biāo)、內(nèi)部能夠發(fā)光的桶狀結(jié)構(gòu)；所述靶標(biāo)為偏心孔。

上述基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置，有如下關(guān)系：

t1＝t2

或

t1＝kt2

其中，圖像采集器件的曝光時(shí)間為t1，待測(cè)主軸的回轉(zhuǎn)周期為t2，k為正有理數(shù)。

一種基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，由以下步驟組成：

步驟a、點(diǎn)亮標(biāo)準(zhǔn)器；

步驟b、調(diào)整x向位移導(dǎo)軌，y向位移導(dǎo)軌和z向位移導(dǎo)軌，使得圖像采集器件能夠?qū)Π袠?biāo)回轉(zhuǎn)圓周完整成像；

步驟c、控制待測(cè)主軸在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)；

步驟d、在圖像采集器件的曝光時(shí)間t1、待測(cè)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期t2之間滿足t1＝t2或t1＝kt2的關(guān)系時(shí)，圖像采集器件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器成像，獲得靶標(biāo)軌跡圖像；

步驟e、對(duì)靶標(biāo)軌跡圖像進(jìn)行預(yù)處理和靶標(biāo)軌跡提??；

步驟f、評(píng)定靶標(biāo)軌跡的圓度誤差。

上述基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，步驟e所述的預(yù)處理，包括以下步驟：

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

v＝∑f²(i,j)-(∑f(i,j))²/n

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

步驟e2、對(duì)步驟e1處理之后的靶標(biāo)軌跡圖像進(jìn)行增強(qiáng)，獲取明暗對(duì)比清晰的圖像；所述獲取明暗對(duì)比清晰圖像的方法通過(guò)如下公式實(shí)現(xiàn)：

其中，g(i,j)為某像素點(diǎn)變換之后的灰度值，f(i,j)為該像素點(diǎn)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(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，步驟e所述的靶標(biāo)軌跡提取，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

β(a)＝a-(a！b)

其中，a為靶標(biāo)軌跡圖像，β(a)為提取所得的靶標(biāo)軌跡，b為一個(gè)大小為n×n的結(jié)構(gòu)元素。

上述基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，步驟f所述的評(píng)定靶標(biāo)軌跡的圓度誤差，方法如下：

步驟f1、計(jì)算擬合圓半徑r0

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

步驟f2、計(jì)算靶標(biāo)軌跡的圓度誤差為：

靶標(biāo)軌跡的圓度誤差eround即為待測(cè)主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差。

有益效果：

本發(fā)明基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置，首先采用具有靶標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)器，利用靶標(biāo)軌跡的圓度誤差與待測(cè)主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差一致的特性，再通過(guò)圖像采集器件記錄靶標(biāo)軌跡，最后利用靶標(biāo)軌跡的圓度誤差來(lái)描述待測(cè)主軸徑向回轉(zhuǎn)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(shè)備成本；而靶標(biāo)和圖像采集器件像元的大小都在微米量級(jí)，因此又能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的高精度測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是標(biāo)準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法的流程圖。

圖4是靶標(biāo)軌跡與評(píng)定軌跡圖像。

圖中：1圖像采集器件、2標(biāo)準(zhǔn)器、3裝夾裝置、4待測(cè)主軸、5基座、6龍門支架、7x向位移導(dǎo)軌、8y向位移導(dǎo)軌、9z向位移導(dǎo)軌、10靶標(biāo)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

具體實(shí)施例一

本實(shí)施例是基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置實(shí)施例。

本實(shí)施例的基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該裝置包括：圖像采集器件1，標(biāo)準(zhǔn)器2，用于夾持標(biāo)準(zhǔn)器2的裝夾裝置3，待測(cè)主軸4，基座5，龍門支架6，x向位移導(dǎo)軌7，y向位移導(dǎo)軌8和z向位移導(dǎo)軌9；其中，x向位移導(dǎo)軌7通過(guò)龍門支架6固定在基座5上，y向位移導(dǎo)軌8安裝在x向位移導(dǎo)軌7上，沿x向位移導(dǎo)軌7所在方向移動(dòng)，z向位移導(dǎo)軌9安裝在y向位移導(dǎo)軌8上，沿y向位移導(dǎo)軌8所在方向移動(dòng)，圖像采集器件1安裝在z向位移導(dǎo)軌9上，沿z向位移導(dǎo)軌9所在方向移動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)器2通過(guò)裝夾裝置3安裝在待測(cè)主軸4的回轉(zhuǎn)端面上；所述標(biāo)準(zhǔn)器2為頂端開有靶標(biāo)10、內(nèi)部能夠發(fā)光的桶狀結(jié)構(gòu)；所述靶標(biāo)10為偏心孔。具體實(shí)施例二

本實(shí)施例是基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置實(shí)施例。

本實(shí)施例的基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量裝置，有如下關(guān)系：

t1＝t2

或

t1＝kt2

其中，圖像采集器件1的曝光時(shí)間為t1，待測(cè)主軸4的回轉(zhuǎn)周期為t2，k為正有理數(shù)。

具體實(shí)施例三

本實(shí)施例是基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)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(diǎn)亮標(biāo)準(zhǔn)器2；

步驟b、調(diào)整x向位移導(dǎo)軌7，y向位移導(dǎo)軌8和z向位移導(dǎo)軌9，使得圖像采集器件1能夠?qū)Π袠?biāo)10回轉(zhuǎn)圓周完整成像；

步驟c、控制待測(cè)主軸4在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)；

步驟d、在圖像采集器件1的曝光時(shí)間t1、待測(cè)主軸4的轉(zhuǎn)動(dòng)周期t2之間滿足t1＝t2或t1＝kt2的關(guān)系時(shí)，圖像采集器件1對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器2成像，獲得靶標(biāo)軌跡圖像；

步驟e、對(duì)靶標(biāo)軌跡圖像進(jìn)行預(yù)處理和靶標(biāo)軌跡提??；

步驟f、評(píng)定靶標(biāo)軌跡的圓度誤差。

具體實(shí)施例四

本實(shí)施例是基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，在具體實(shí)施例三的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定步驟e所述的預(yù)處理，包括以下步驟：

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

v＝∑f²(i,j)-(∑f(i,j))²/n

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

步驟e2、對(duì)步驟e1處理之后的靶標(biāo)軌跡圖像進(jìn)行增強(qiáng)，獲取明暗對(duì)比清晰的圖像；所述獲取明暗對(duì)比清晰圖像的方法通過(guò)如下公式實(shí)現(xiàn)：

其中，g(i,j)為某像素點(diǎn)變換之后的灰度值，f(i,j)為該像素點(diǎn)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(shí)施例五

本實(shí)施例是基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，在具體實(shí)施例三的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定步驟e所述的靶標(biāo)軌跡提取，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

β(a)＝a-(a！b)

其中，a為靶標(biāo)軌跡圖像，β(a)為提取所得的靶標(biāo)軌跡，b為一個(gè)大小為n×n的結(jié)構(gòu)元素。

具體實(shí)施例六

本實(shí)施例是基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，在具體實(shí)施例三的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定步驟f所述的評(píng)定靶標(biāo)軌跡的圓度誤差，方法如下：

步驟f1、計(jì)算擬合圓半徑r0

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

步驟f2、計(jì)算靶標(biāo)軌跡的圓度誤差為：

靶標(biāo)軌跡的圓度誤差eround即為待測(cè)主軸4的徑向回轉(zhuǎn)誤差。

具體實(shí)施例七

本實(shí)施例是基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的基于靶標(biāo)軌跡跟蹤的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量方法，將具體實(shí)施例三、具體實(shí)施例四、具體實(shí)施例五和具體實(shí)施例六相結(jié)合，以一個(gè)具體實(shí)例來(lái)說(shuō)明本方法，該方法由以下步驟組成：

步驟a、點(diǎn)亮標(biāo)準(zhǔn)器2；

步驟b、調(diào)整x向位移導(dǎo)軌7，y向位移導(dǎo)軌8和z向位移導(dǎo)軌9，使得圖像采集器件1能夠?qū)Π袠?biāo)10回轉(zhuǎn)圓周完整成像；

步驟c、控制待測(cè)主軸4在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)；

步驟d、在圖像采集器件1的曝光時(shí)間t1、待測(cè)主軸4的轉(zhuǎn)動(dòng)周期t2和靶標(biāo)10的數(shù)量n之間滿足t1＝t2的關(guān)系時(shí)，圖像采集器件1對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器2成像，獲得靶標(biāo)軌跡圖像，如圖4中的粗實(shí)線所示；

步驟e、對(duì)靶標(biāo)軌跡圖像進(jìn)行預(yù)處理和靶標(biāo)軌跡提?。黄渲?，預(yù)處理采用具體實(shí)施例四所述的方法，靶標(biāo)軌跡提取采用具體實(shí)施例五所述的方法；

步驟f、評(píng)定靶標(biāo)軌跡的圓度誤差，采用具體實(shí)施例六所述的方法，其中，圖4中的外圓為與運(yùn)算相對(duì)應(yīng)，圖4中的內(nèi)圓與相對(duì)應(yīng)。

需要說(shuō)明的是，以上所有方法實(shí)施例，均是在以上所有裝置實(shí)施例中的任一個(gè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

還需要說(shuō)明的是，在以上實(shí)施例中，只要不矛盾的技術(shù)方案都能夠進(jìn)行排列組合，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)排列組合的數(shù)學(xué)知識(shí)窮盡所有可能，因此，本發(fā)明不再對(duì)排列組合后的技術(shù)方案進(jìn)行一一說(shuō)明，但應(yīng)該理解為排列組合后的技術(shù)方案已經(jīng)被本發(fā)明所公開。