一种基于机器视觉的主轴动态回转精度测试方法与流程

本发明涉及误差测试领域，具体是一种基于机器视觉的主轴动态回转精度测试方法。

背景技术：

精密回转主轴是精密加工机床和测试设备的关键部件。随着超精密加工技术的发展，人们对测量仪器的制造精度要求越来越高，尤其是高精密回转体部件，这就使得提高轴系的回转精度以满足极限状态下的零件加工要求和确保测量结果的准确性，成为一项极具挑战的课题。此外，由于精密轴系组成部件本身制造也处于极限精度状态下，单纯仅靠提高轴系部件的加工精度来保证是难奏效的。精密轴系，特别是静压气浮轴系的回转误差在一定的工作条件下是较为恒定的系统误差，这就使得精密轴系的回转误差纳米级精度检测问题，成为确保实现回转误差分离与补偿、提高轴系回转精度的关键。

在国内，近年来也开展了多种回转误差测量方法的研究。如国防科大黄长征采用两点法建立的基于双测头的车床主轴回转误差测试系统，两个传感器在圆周方向相隔180°对称安装固定，车床主轴回转时传感器不动且拾得信号，然后通过消除偏心措施和误差分离技术求得主轴的回转误差运动，且能求得测试轴的圆度误差；哈尔滨工业大学谭久彬等采用多重多步法识别并分离标准器的圆轮廓误差和主轴的回转运动误差，主要解决了谐波抑制问题，以消除原理误差，同时解决误差分离过程的最简化问题，以减小或消除机械、电气漂移和外界干扰的影响；上海交大李自军等采用二次相移三点法在线检测主轴的回转运动误差，采用间隔不等的三个传感器测头获得测量数据，并按二次相移原则重组数据，从而分离出回转误差；中国科技大学王卫东等利用数字图像处理技术，建立了一套主轴回转精度的CCD 测量系统，采用光学CCD 检测安装在主轴上的光源位置，进而获取主轴回转时的运动误差量，对数据处理和误差评定进行了探讨。

概括说来，目前的主轴回转误差的测量方法主要有静态测量法、动态多测头法、多次定位法及光学测量方法等。其中，静态测量法是一种较为原始的测量方法，它采用传感器在主轴手动慢速回转下测量标准圆轮廓，因而测量精度无法进一步提高。动态多测头法采用两个或两个以上的精密测头对同一圆轮廓同时测量，测量效率高，适合在线测量；然而由于多测头的偏置及传感器特性的一致性限制，在高精度的应用场合应用不如多次定位法广泛。动态多次定位的实现方法有多种，如两步法、反转法、多步法等等，此方法有易于实现，能够达到较高的回转误差分离精度等特点，其缺点在于（多测头法也存在类似问题）存在由谐波抑制问题带来的方法误差，需要进一步的测量数据的分析处理与重建；光学测量方法可实现不借助标准器（球）且非接触的测量方式，使用CCD 检测安装在主轴上的光源位置，进而获取主轴回转时的跳动信息，然而由于光学衍射等影响，此方法无法实现纳米级的横向测量分辨率，因此也就无法满足纳米级精度的回转误差检测问题。可以看出，精密主轴的回转精度水平欲达到纳米量级检测还存在一些重要的理论和关键技术问题。

技术实现要素：
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本发明的目的在于解决传统精密主轴回转误差测量方法需要昂贵的复杂测试系统及测试过程问题，提供一种基于机器视觉的主轴动态回转精度测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于机器视觉的主轴动态回转精度测试方法，具体步骤如下：

（1）将光栅样品按要求安装在待测精密主轴上，精确调整光栅样品在待测精密主轴上的位置，使光栅样品在待测精密主轴回转中心附近；

（2）调节相机相对于光栅样品的位置，使得相机测量范围覆盖到光栅样品的基圆上；

（3）控制系统控制待测精密主轴一直转动，用相机采集光栅样品上的基圆图像照片，并依次采集待测精密主轴在完整圆周位置上光栅样品的圆弧照片；

（4）图像分析处理系统将所获得的若干光栅样品刻度的基圆图像照片进行分析，并将分析的数据进行收集，即可得到待测精密主轴的回转误差数据，并进行误差评价。

作为本发明进一步的方案：所述相机采用CCD相机，以采集光栅基圆图像。

作为本发明再进一步的方案：所述相机测量范围覆盖或部分覆盖在到光栅样品的基圆上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过使用相机，对随精密主轴回转的样品刻度进行测量及图像处理，来实现精密主轴回转误差数据的综合测量，测量方法简单，不需要复杂的测试系统及测试过程，则可实现主轴回转误差检测。

附图说明

图1是本发明方法的测量原理示意图。

图2是图1中的测量部分俯视示意图。

图3是本发明方法的基圆图像采集示意图。

图4是基圆图像处理方法的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

请参阅图1和图2，本发明实施例中，一种基于机器视觉的主轴动态回转精度测试步骤如下：

（1）将光栅样品2安装在待测精密主轴3上，调整光栅样品的位置，使其在待测精密主轴3的回转中心附近；

（2）调解相机1相对于光栅样品2的位置，使得相机1测量范围覆盖到光栅样品2的基圆7上；

（3）控制系统5控制待测精密主轴3一直转动，用相机1采集基圆7图像照片（在一个完整的圆周上均匀取若干张照片），依次采集待测精密主轴3在完整圆周位置上光栅样品2的圆弧照片，这些圆弧照片实际上是光栅样品2的同一区域，只不过随着待测精密主轴3的旋转这些外貌在位置上有所不同，但都包含了待测精密主轴3的回转误差信息；

（4）图像分析处理系统6将所获得的若干样品刻度基圆图像照片进行分析，即可得到待测精密主轴3的回转误差数据，并进行误差评价。回转误差的测量精度和测量误差项主要取决于相机的测量精度和能力和样品的刻度。

本发明方法也是保证获得高精密精度主轴回转误差的关键之一。本发明的图像处理系统5的具体实施方式是基于最小二乘圆算法来进行计算的。圆度误差评定的最小二乘圆法通过工件显示轮廓上的各点到该圆周的距离的平方和为最小圆以该圆作为基准圆，作两个同心圆包容实际被测轮廓，该轮廓上至少一个测点与内圆接触，另一个测点与外圆接触。以这两个圆的半径差作为圆度误差值，如图4所示，有

其中，R为最小二乘圆半径， R_i为实际被测轮廓上个点到最小二乘圆心的距离，f_ts为圆度误差值；R_max、R_min分别为实际被测轮廓上各点到最小二乘圆心的距离中的最大值和最小值，ΔR_min、ΔR_max 分别为实际轮廓上各点到最小二乘圆的距离。

并假设（1）测点对坐标原点等间隔分布；（2）偏心距远小于圆的半径；（3）各点的极径偏差远小于圆的半径。O是坐标原点，c（a，b）是圆心，P_i（x_i，y_i）是以O为中心等间隔分布的测量点，R为最小二乘圆直径，c为偏心距，α为偏心的角度，如图3所示。则有

其中，e_i为各点相对于最小二乘圆心的极径偏差。

根据假设条件c＜＜R，则：

则各点的极径偏差为：

由最小二乘圆极径偏差的平方和最小，有：

此时满足：

简化可得最小二乘圆心和半径分别为：

其中，N为测点数目，i为测点序号，R为最小二乘圆半径，r_i为实际轮廓上各点到回转中心的距离。

实际轮廓上各点到最小二乘圆的距离为：

圆度误差为：

这里，ΔR_min、ΔR_max分别为实际轮廓上各点到最小二乘圆距离。

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，能够以其他的具体形式实现本发明。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要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。