基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测装置及方法与流程

技术特征：

1.基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，包括箱体(4)和靶球(1)；靶球(1)通过连杆安装在被测精密主轴上；箱体(4)中安装有能够发生稳定单色激光的激光源(5)及干涉测试系统；靶球(1)的连杆与从箱体(4)中射出的激光束轴线平行，并且靶球(1)的球心在激光束汇聚点附近。

2.根据权利要求1所述的基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，所述干涉测试系统包括依次设置于激光源(5)出射光光轴上的第一扩束透镜(6)、第二扩束透镜(7)、第一汇聚透镜(8)以及半透半反镜(3)，半透半反镜(3)一侧反射光光路上设置基准球(2)，其汇聚点与基准球(2)的球心重合，另一侧设置第二汇聚透镜(10)；半透半反镜(3)将经过第一汇聚透镜(8)透射过来的光一部分反射至基准球(2)，另一部分沿出射光光轴透射，经箱体(4)上的圆孔射出至靶球(1)；第二汇聚透镜(10)将基准球(2)与靶球(1)的反射光汇聚，将球面波转换成平面波。

3.根据权利要求2所述的基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，所述第二汇聚透镜(10)的正后方设置用于测量反射波干涉图像的CCD相机(9)。

4.一种采用权利要求1-3任意一项所述装置的基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)微调箱体(4)，使射出的激光束汇聚点在精密主轴旋转过程中始终位于靶球(1)坐标系的某一象限中且尽量靠近球心，使用CCD相机(9)采集干涉图像，分析得到靶球(1)中心误差位移；

2)控制精密主轴旋转，记录靶球(1)中心移动轨迹；

3)分析靶球(1)中心移动轨迹获得精密主轴的旋转速度及轴向和径向位移误差。

5.根据权利要求4所述的基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，所述步骤1)的具体方法如下：

设空气折射率为n＝1，基准球和靶球的半径均为R，调整后靶球中心在靶球坐标系中的坐标为δ＝(δ_x，δ_y，δ_z)；靶球坐标系是原点位于射出激光束汇聚点的坐标系；在靶球上某一点P(x,y,z)处的光线，由于位移量相对R很小，入射光与反射光的夹角可忽略，视为重合；能够得到在P点及基准球对应点处，经过反射后，光线的光程差为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{2({\mathrm{x\δ}}_x+{\mathrm{y\δ}}_y+{\mathrm{z\δ}}_z)}{R}---\left(1\right)$

另外由于P点在靶球球面上，有几何关系：

x²+y²+z²＝R² (2)

在CCD相机上建立测量坐标用于测量干涉图像数据；设基准球球心到第二汇聚透镜(10)的距离为d，则CCD相机与球面上对应的各点，坐标值的放大系数为：

$k=\frac{d}{R}---\left(3\right)$

联立式(1)、(2)、(3)，得到测量坐标系中各点的坐标值(x_c，y_c，z_c)、光程差Δ与靶球位移误差(δ_x，δ_y，δ_z)的关系为：

$\frac{{{\mathrm{\δ}}_x}^2+{{\mathrm{\δ}}_z}^2}{k^2}{x}_c^2+\frac{{{\mathrm{\δ}}_y}^2+{{\mathrm{\δ}}_z}^2}{k^2}{y}_c^2+\frac{2{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\δ}}_y}{k^2}{x}_c{y}_c-\frac{{\mathrm{\ΔR\δ}}_x}{k}{x}_c-\frac{{\mathrm{\ΔR\δ}}_y}{k}{y}_c=({{\mathrm{\δ}}_z}^2-\frac{{\mathrm{\Δ}}^2}{4})R^2---\left(4\right)$

当光程差为波长λ的整数倍时，干涉获得亮条纹，通过关系式看出是一系列椭圆；根据干涉图像的三个性质参数与方程各系数之间的关系计算得到光束汇聚点在靶球坐标系中的坐标(δ_x，δ_y，δ_z)，即靶球球心的位置。

6.根据权利要求5所述的基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，所述涉图像的三个性质参数为干涉图像亮条纹的长短轴比值、短轴方向角以及两级亮条纹间距。

7.根据权利要求4所述的基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，所述步骤3)的具体方法如下：

3-1)提取轨迹在xOy平面中投影的基频即为精密主轴旋转频率；

3-2)做轨迹在xOy平面中投影的最小包络圆，其直径为精密主轴的径向位移误差；

3-3)做轨迹在z轴上的投影，其长度为精密主轴轴向窜动。