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一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法

阅读：789发布：2020-09-29

专利汇可以提供一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法，该发明利用光学方法来测量转台旋转精度,利用光轴来不断逼近机械转轴并通过对光轴跳动量的测量来获得机械转轴精度。具体是利用平行光穿过机械转轴，并成像于随转轴转动的检测相机的焦面上,机械转轴转动时检测相机的成像点会随之运动，运动轨迹接近与圆形,圆心位置则对应机械转轴，通过调节平行光的方向使得成像点接近圆心,通过多次调节及逼近最终使得成像光斑质心随转轴转动变化最小,该质心变化量与成像相机焦距的比值即为转轴的旋转精度,且机械转轴与光轴重合。本发明装置结构简单、成本低廉、标定方法简单。，下面是一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置，包括宽光束激光准直光源(1)、五维调节架(2)、标码盘(3)、长焦相机(4)、固定工装(5)，其特征在于：
宽光束激光准直光源(1)固定于五维调节架(2)上，激光光束经过标码盘(3)的中心出射，最终激光光束在长焦相机(4)的焦面上成像，其中长焦相机(4)固定于被测机械转轴(6)上且能够随转轴转动，标码盘(3)通光孔与被测机械转轴(6)通光孔同心；转动被测机械转轴(6)并记录成像点轨迹，根据旋转过程中成像点的轨迹寻找圆心位置,调节六维调节架(2)的方位、俯仰角度使出射光方向变化，最终使成像点接近于圆心,通过多次调节及逼近最终使得成像光质心随转轴转动变化最小，该变化量与成像相机焦距的比值即为转轴的旋转精度。
2.根据权利要求1所述的一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置，其特征在于：所述的宽光束激光准直头光源(1)为一种经过准直的激光光束，准直光束的发散角小于
200urad。
3.根据权利要求1所述的一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置，其特征在于：用于固定宽光束激光准直头光源(1)的所述的五维调节架(2)具备方位、俯仰角度调节功能，同时具备高低、上下、左右位置的调节功能。
4.根据权利要求1所述的一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置，其特征在于：所述的标码盘(3)为中心通光孔大小与宽光束激光准直头光源(1)光斑大小相同，外部结构安装保证标码盘(3)通光孔与机械转轴(6)通光孔同心。
5.根据权利要求1所述的一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置，其特征在于：所述的长焦相机(4)固定于被测机械转轴(6)上随转轴转动,且长焦相机(4)可以实时读取成像光斑质心，其中长焦镜头面形RMS值优于1/10λ@632.8nm,长焦相机(4)的探测器响应波长范围覆盖与所使用的宽光束激光准直光源(1)。
6.一种基于权利要求1所述的一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置的轴系旋转精度测量方法，其特征在于方法步骤如下：
1)光轴与机械转轴的初步配准:将宽光束激光准直光源(1)放置于五维调节架(2)上，再将标码盘(3)安装于被测机械转轴(6)的中心处,通过标码盘(3)外部结构安装保证其通光孔与机械转轴(6)通光孔同心,调节五维调节架(2)使得激光经标码盘(3)的中心孔发射，同时保证出射光出转轴时同样接近中心出射,初步定位宽光束激光准直光源(1)，完成激光光轴与机械转轴的初步配准；
2)光轴与机械转轴的精确配准:将长焦相机(4)安装于被测机械转轴(6)上,其中长焦相机的焦距为f,保证长焦相机(4)与被测机械转轴(6)随动，将被测机械转轴(6)固定在某一个方位，调节长焦相机(4)的方位、俯仰角度，使得宽光束激光准直光源(1)成像于长焦相机(4)的中心像元附近，此时初步固定长焦相机(4)，然后转动被测机械转轴(6)并记录成像点轨迹；根据旋转过程中成像点的轨迹寻找圆心位置,确保圆心位置处于探测器视场范围内，再调节六维调节架(2)使得成像点接近圆心,同时需保证宽光束激光准直光源(1)的光斑从标码盘(3)中心处出射，通过多次调节激光光轴来配准机械转轴，最终使得成像光质心随转轴转动变化较小；
3)机械转轴精度获取:在小范围内调节宽光束激光准直光源(1)的方向，旋转被测机械转轴(6)，记录成像点轨迹，通过旋转过程中的质心数据来获得轨迹最远点之间距离，多次微调节宽光束激光准直光源(1)，并多次获取旋转过程中最远点之间距离，通过对比记录距离最小量，则转轴的旋转精度。

说明书全文

一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明公开一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法，特别适用于高精度转轴的旋转精度测量，还适用于机械转轴与光轴配准的辅助光校过程中。

背景技术

[0002] 伴随着高精度的轴承作为旋转基础部件广泛应用于航空航天，精密机床、数据硬盘等复杂精密机械系统中，其旋转精度往往直接决定整机精度性能，例如机床主轴旋转精度、数据硬盘存储密度等。然而目前滚动轴承服役条件下精度性能测试与分析的测试严重滞后于轴承理论分析模型的发展，因此，开发超高精度滚动轴承旋转误差测试系统支撑理论模型的验证迫在眉睫。目前在轴承旋转精度测试系统设计方面，Okamoto等构建了一种轴承径向跳动测量装置，以分布对轴承外圈形状误差与球的尺寸误差，以及分布对轴承旋转精度的影响规律。然而由于该设备采用机械式主轴驱动待测轴承，且以接触式位移传感器测量轴承径向跳动误差来评估轴承旋转精度，仅能测试低速运转轴承且精度较低。但是随着测量技术的进步与提升，所以要求我们更高更快捷的测量方法应试而生，测试系统已经从传统的机械式主轴驱动待测轴承跨越的接触式的测量方法，而且严重受到了仪器精度的限制并操作起来很不方便，现在我们用一种崭新的方式进行轴承的精度测量并且可以测出轴承最后安装好后的最终精度是多少，并能省去了买高精度仪器高额花费，因为该装置的一套设备低价，并且简单，易操作实施可靠性好。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法，该发明装置的使用，可以满足不同高精度转轴的旋转精度测量，同时适用于机械转轴与光轴配准的辅助光校。主要是基于将无形的机械转轴转移至激光的发射方向，从而获得机械转轴的精度，同时也可以与光学仪器之间的光轴进行配准。该发明的特点主要体现在：1)结构简单，测试原理与方法简单；2)可满足不同高精度转轴的旋转精度测量，同时适用于机械转轴与光轴配准的辅助光校。

[0004] 本发明装置如附图1所示：该发明装置包括宽光束激光准直光源1、五维调节架2、标码盘3、长焦相机4、固定工装5、被测机械转轴6。所述的宽光束激光准直光源1为一种经过准直的激光光束，该宽光束激光准直光源1固定于五维调节架2上，激光光束经过标码盘3的中心出射，最终在固定于被测机械转轴6上且能够随转轴转动的长焦相机4焦面上成像，其中标码盘3通光孔与机械转轴6通光孔同心；转动被测机械转轴6并记录成像点轨迹，根据旋转过程中成像点的轨迹寻找圆心位置,调节六维调节架2使得成像点接近圆心,通过多次调节及逼近最终使得成像光质心随转轴转动变化最小，该变化量与成像相机焦距的比值即为转轴的旋转精度。该装置可以用于高精度转轴的旋转精度测量，同时适用于机械转轴与光轴配准的辅助光校等

[0005] 该一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法实施步骤如下：

[0006] 1、光轴与机械转轴的初步配准

[0007] 将宽光束激光准直光源1放置于五维调节架2上，再将标码盘3安装于被测机械转轴6的中心处,通过标码盘3外部结构安装保证其通光孔与机械转轴6通光孔同心,调节五维调节架2使得激光经标码盘3的中心孔发射，同时保证出射光出转轴时同样接近中心出射,初步定位宽光束激光准直光源1，完成激光光轴与机械转轴的初步配准；

[0008] 2、光轴与机械转轴的精确配准

[0009] 将长焦相机4安装于被测机械转轴6上,保证长焦相机4与被测机械转轴6随动,将被测机械转轴6固定在某一个方位，调节长焦相机4的方位、俯仰角度，使得宽光束激光准直光源1成像于长焦相机4的中心像元附近，此时初步固定长焦相机4，然后转动被测机械转轴6并记录成像点轨迹；根据旋转过程中成像点的轨迹寻找圆心位置,确保圆心位置处于探测器视场范围内，再调节六维调节架2使得成像点接近圆心,同时需保证宽光束激光准直光源
1的光斑从标码盘3中心处出射，通过多次调节激光光轴来配准机械转轴，最终使得成像光质心随转轴转动变化较小；

[0010] 3、机械转轴精度获取

[0011] 在小范围内调节宽光束激光准直光源1的方向，旋转被测机械转轴6，记录成像点轨迹，通过旋转过程中的质心数据来获得轨迹最远点之间距离，多次微调节宽光束激光准直光源1，并多次获取旋转过程中最远点之间距离，通过对比记录距离最小量，该距离最小量与成像相机焦距的比值即为转轴的旋转精度。

[0012] 本发明通过光学方法提供了一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法，该方法还可以通过增加相机焦距来获得更高的测量精度。其主要工作原理是通过轴系的旋转将轴系变化量转换成光轴旋转，再通过测量光轴的旋转量将光轴与机械轴联系起来，光轴本身不存在跳动，理想的机械转轴与光轴重合时，机械轴在转动过程中光轴的方向保持不变，在用长焦相机监测时旋转过程中成像光斑质心不变。实际情况是机械轴都存在跳动精度，在光轴与机械轴不断逼近的过程中，旋转过程中长焦相机监测光斑质心的曲线是一个不断缩小的圆，最终的变化曲线是一个微小范围内的封闭曲线，此曲线的最远两点质心距离为a，此距离即为轴系的跳动度，假设监测相机的焦距为f,则轴系的跳动量,理论上焦距f越大，系统测量精度越高，可以通过增加相机焦距来获得更高的测量精度。

[0013] 本发明的目的是提供一种高精度轴系旋转精度的光学测量装置及方法，可满足不同精度轴系的检测要求，该发明的特点主要体现在：

[0014] 1)本发明装置结构简单，成本低廉；

[0015] 2)可满足不同精度轴系的检测要求，同时可以根据测量精度要求来定制测试系统；

[0016] 3)本发明不仅能满足单个轴承的测量，而且可以对不同方向上的整机的所有转轴进行测量。从而能得到一个整机的转轴误差。

附图说明

[0017] 图1为轴系精度测试装置示意图

[0018] 图2实施例中轴系精度测试装置示意图

[0019] 图3为机械转轴与光轴配准示意图

[0020] 图4为机械转轴旋转过程中长焦相机焦面成像点质心变化曲线

具体实施方式

[0021] 以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。

[0022] 本发明中所采用的主要器件描述如下：

[0023] 1、宽光束激光准直光源1：宽光束激光准直光源1由单模光纤，准直透镜及激光器组成，其中光纤采用Thorlabs公司型号为SM600的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为600-900nm；光纤模场直径为4.6um@680nm，包层芯径125±1um，截至波长为550±50nm；准直透镜采用Thorlabs公司型号为F810FC-635的准直镜，准直镜焦距为35.4mm，使用波长
635nm；激光器采用Thorlabs公司型号为LPS-PM635-FC的激光二极管，激光波长为635nm；

[0024] 2、五维调整架2：采用卓立汉光公司型号为ASM-RG2的三维组合台和TSMV5-1A的升降台及其APSM25A-65CC的组合式精密手动平台，其主要性能参数：位置调节精度0.01mm；角度调节精度0.5角秒；

[0025] 3、标码盘3：标准尺寸的同心圆，并标有中心十字叉，自行订制；

[0026] 4、长焦相机4：长焦相机由长焦镜头与CCD相机组成，长焦镜头采用公司型号为PS971的长焦，其主要性能参数；镜头加工参数要求：透光面表面面型RMS值优于1/20λ@632.8nm；系统像差RMS值优于1/10λ@632.8nm，通光口径30mm；CCD相机采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*
4.4um，像素个数1600*1200。

[0027] 5、固定工装5：固定工装专门用于固定被测转台6，属于订制工装。

[0028] 本发明方法的示意图如附图1所示，具体情况描述如下：

[0029] 该发明装置包括宽光束激光准直光源1、五维调节架2、标码盘3、长焦相机4、固定工装5、被测机械转轴6。

[0030] 1、光轴与机械转轴的初步配准

[0031] 将宽光束激光准直光源1放置于五维调节架2上，开启宽光束激光准直光源1中的激光器1-1,通过单模光纤1-2将激光引入至准直透镜1-3产生635nm的平行光；再将标码盘3安装于被测机械转轴6的中心处,通过标码盘3外部结构安装保证其通光孔与机械转轴6通光孔同心,调节五维调节架2使得激光经标码盘3的中心孔发射，同时保证出射光出转轴时同样接近中心出射,初步定位宽光束激光准直光源1，完成激光光轴与机械转轴的初步配准。

[0032] 2、光轴与机械转轴的精确配准

[0033] 根据测量精度要求选择合适焦距f的长焦镜头4-1，将长焦镜头4-1与CCD相机4-2组成长焦相机4，保证CCD相机4-2光敏面处于长焦镜头4-1的焦面处，再将长焦相机4整体安装于被测机械转轴6上,保证长焦相机4与被测机械转轴6随动,将被测机械转轴6固定在某一个方位，调节长焦相机4的方位、俯仰角度，使得宽光束激光准直光源1出射的平行光成像于长焦相机4的中心像元附近，此时初步固定长焦相机4，然后转动被测机械转轴6并记录成像点轨迹；根据旋转过程中成像点的轨迹寻找圆心位置,确保圆心位置处于探测器视场范围内，再调节六维调节架2使得成像点接近圆心,同时需保证宽光束激光准直光源1的光斑从标码盘3中心处出射，通过多次调节激光光轴来配准机械转轴，最终使得成像光质心随转轴转动变化较小。

[0034] 3、机械转轴精度获取

[0035] 在小范围内调节宽光束激光准直光源1的方向，旋转被测机械转轴6，记录成像点轨迹，通过旋转过程中的质心数据来获得轨迹最远点之间距离，多次微调节宽光束激光准直光源1，并多次获取旋转过程中最远点之间距离，通过对比记录距离最小量，则转轴的旋转精度。

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