一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于滚珠螺母的加工质量高精度检测领域，涉及一种面向滚珠螺母内滚道 曲面的高精度光纤检测方法。
【背景技术】
[0002] 滚珠丝杠螺母副由于具有高效率、高精度、高刚度、低成本等特点，被广泛应用于 机械、航天、航空、核工业等领域。高速精密滚珠丝杠副是发展高精密机械的关键部件，对于 高精度的滚珠丝杠螺母，其复杂的内滚道表面大大增加了检测难度，传统的检测方法有固 定式检测仪法、钢珠接触法及相对测量等方法，但这些均属于接触式测量，无法满足滚珠丝 杠螺母副的快速高精度检测。要实现滚珠螺母的高精度检测，只能对其进行非接触检测。
[0003] 滚珠螺母的高精度检测，不仅包括螺母的表面参数（内径、外径等）的检测，还包 括螺母的内滚道曲面参数（导程、螺旋升角等）的检测。而目前新兴研宄的机器视觉和光 学测量等非接触式测量方法也或多或少存在一些缺点，具体表现在：1)机器视觉的检测精 度过度依赖相机的拍摄分辨率，且二维的数字图像损失了大量的检测指标，例如不能检测 其内滚道的情况以及螺旋升角（即螺旋角）等，因此无法全面评价滚珠螺母的加工质量；2) 单纯的应用光纤探头来检测滚珠螺母的内表面，由于光纤传感受原理所限，对于被测面倾 角过大的情况，接收光纤无法接收到反射光，测量结果无法有效说明被测体的精度。因此， 为了弥补以上研宄现状的不足，需要一种新的能检测滚珠螺母内滚道曲面三维形貌的高精 度检测方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] 1)将滚珠螺母安装在运动平台上，将光纤传感器探头相对滚珠螺母的中心轴线以 滚珠螺母螺旋角进行安装；
[0007] 2)经过步骤1)后，利用运动平台使滚珠螺母转动，滚珠螺母每转动一周，使光纤 传感器探头直线移动一个滚珠螺母螺距，直至光纤传感器探头沿着滚珠螺母内滚道完成检 测，然后根据光纤传感器探头光强调制曲线的数学模型，得到光纤传感器探头与滚珠螺母 滚道型面间的测距数据D = W1, d2,...，dn}，η表示测距点个数；
[0008] 3)根据测距数据以及滚珠螺母工件坐标系与滚珠螺母内滚道法向截面坐标系的 变换关系求得实际测得的滚珠螺母内螺旋线空间坐标。
[0009] 所述光纤传感器探头包括对称设置的两个探头分支，两个探头分支之间存在夹 角，每个探头分支包括若干个探头单元，每个探头单元包括至少一个三光纤对，所述三光纤 对由发射光纤和对称分布在发射光纤两侧的各一个接收光纤组成。
[0010] 每个探头单元包括一根发射光纤以及在发射光纤周围均布的四根接收光纤。
[0011] 每个探头分支的探头单元的数量随被检测滚珠螺母的滚道半径增大而在一维方 向上进行相应扩展。
[0012] 对于探头单元中的任意一个三光纤对，分别计算所述三光纤对中两个发射接收光 纤对各自所对应的M，其中一个发射接收光纤对由所述三光纤对中的发射光纤与所述三光 纤对中的一个接收光纤构成，另一个发射接收光纤对由所述三光纤对中的发射光纤与所述 三光纤对中的另一个接收光纤构成：
[0013] M=S1ZS
[0014] (1)当 |EK| < p_rK时
[0015] S1= 0
[0016] (2)当 IEKI 彡 p+r#t
[0017] S1= Jir E2
[0018] (3)当？-1'/旧1(|〈?+1'1；时，则发射光经反射面反射到接收光纤端面所在平面处 的椭圆光斑轮廓与对应接收光纤端面轮廓必存在两个对称交点，设两交点坐标分别为
【主权项】
1. 一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法，其特征在于：包括w下步 骤： 1) 将滚珠螺母安装在运动平台上，将光纤传感器探头相对滚珠螺母的中屯、轴线W滚珠 螺母螺旋角进行安装； 2) 经过步骤1)后，利用运动平台使滚珠螺母转动，滚珠螺母每转动一周，使光纤传感 器探头直线移动一个滚珠螺母螺距，直至光纤传感器探头沿着滚珠螺母内滚道完成检测， 然后根据光纤传感器探头光强调制曲线的数学模型，得到光纤传感器探头与滚珠螺母滚道 型面间的测距数据D= {di，d2,...，屯}，n表示测距点个数； 3) 根据测距数据W及滚珠螺母工件坐标系与滚珠螺母内滚道法向截面坐标系的变换 关系求得实际测得的滚珠螺母内螺旋线空间坐标。
2. 根据权利要求1所述一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法，其特征 在于；所述光纤传感器探头包括对称设置的两个探头分支，两个探头分支之间存在夹角，每 个探头分支包括若干个探头单元，每个探头单元包括至少一个=光纤对，所述=光纤对由 发射光纤和对称分布在发射光纤两侧的各一个接收光纤组成。
3. 根据权利要求2所述一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法，其特征 在于；每个探头单元包括一根发射光纤W及在发射光纤周围均布的四根接收光纤。
4. 根据权利要求2所述一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法，其特征 在于；每个探头分支的探头单元的数量随被检测滚珠螺母的滚道半径增大而在一维方向上 进行相应扩展。
5. 根据权利要求2所述一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法，其特征 在于；对于探头单元中的任意一个=光纤对，分别计算所述=光纤对中两个发射接收光纤 对各自所对应的M，其中一个发射接收光纤对由所述=光纤对中的发射光纤与所述=光纤 对中的一个接收光纤构成，另一个发射接收光纤对由所述=光纤对中的发射光纤与所述= 光纤对中的另一个接收光纤构成： M=Si/S (1)当 |EK|《p-rR时 Si= 0 似当|EK| >p+rE时 Si = 31 r / (3)当p-rE<|EK|<p+rE时，则发射光经反射面反射到接收光纤端面所在平面处的楠 圆光斑轮廓与对应接收光纤端面轮廓必存在两个对称交点，设两交点坐标分别为（q，yi)、 (q，-yi)，则
、
I- - y 其中，Si为S光纤对中一个接收光纤RF的有效接收面积的大小；S为S光纤对中的发 射光纤发射光经反射面反射到接收光纤端面所在平面处的楠圆光斑面积，P为所述发射光 纤与所述接收光纤RF的轴间距，r,为所述接收光纤RF纤巧半径，|EK|为所述发射光纤中 屯、与所述接收光纤RF端面近发射光纤点之间的距离，a为楠圆光斑的长半轴长度，b为楠圆 光斑的短半轴长度，Xt=|EK|-a; 那么，所述光纤传感器探头光强调制曲线的数学模型表示为所述=光纤对中两个发射 接收光纤对各自所对应的M的商函数。
6.根据权利要求1所述一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法，其特征 在于；所述步骤3)中，根据式（23)、式（24)W及式（25)求得实际测得的滚珠螺母内螺旋 线空间坐标：
其中，（x，y，z)为所述工件坐标系中内螺旋线理论空间坐标，（x'，y'，z'）为所述工件 坐标系中内螺旋线实际测得的空间坐标，(A?^.,,"，A<,,,,，Arf=,,,)为Adi在滚珠螺母内滚道法向 截面坐标系上的投影变动长度，i= 1…n，（AcU= {0,Ads，...，Ad。} = {di-di，d2-di，.. .，屯-中}，（Ady，Ady，AcQ为Ad/变换到所述工件坐标系中对应各坐标轴方向上的长度变 化值，0表示滚珠螺母螺旋角。
【专利摘要】本发明公开了一种面向滚珠螺母内滚道曲面的高精度光纤检测方法：将滚珠螺母安装在运动平台上，将光纤传感器探头相对滚珠螺母的中心轴线以滚珠螺母螺旋角进行安装；利用运动平台使滚珠螺母转动，滚珠螺母每转动一周，使光纤传感器探头直线移动一个滚珠螺母螺距，直至光纤传感器探头沿着滚珠螺母滚道型面对应内螺旋线完成检测，然后根据光纤传感器探头光强调制曲线的数学模型，计算得到光纤传感器探头与滚珠螺母滚道型面间的测距数据；根据测距数据以及滚珠螺母工件坐标系与滚珠螺母内滚道法向截面坐标系的变换关系求得实际测得的内螺旋线空间坐标，从而可以全面分析评价滚珠螺母的加工精度。
【IPC分类】G01B11-24
【公开号】CN104792276
【申请号】CN201510173165
【发明人】要义勇, 王旭, 赵丽萍
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月13日