一種基於機器視覺的主軸動態迴轉精度測試方法與流程
2023-07-17 12:04:56 1
本發明涉及誤差測試領域，具體是一種基於機器視覺的主軸動態迴轉精度測試方法。
背景技術：
精密迴轉主軸是精密加工工具機和測試設備的關鍵部件。隨著超精密加工技術的發展，人們對測量儀器的製造精度要求越來越高，尤其是高精密迴轉體部件，這就使得提高軸系的迴轉精度以滿足極限狀態下的零件加工要求和確保測量結果的準確性，成為一項極具挑戰的課題。此外，由於精密軸系組成部件本身製造也處於極限精度狀態下，單純僅靠提高軸系部件的加工精度來保證是難奏效的。精密軸系，特別是靜壓氣浮軸系的迴轉誤差在一定的工作條件下是較為恆定的系統誤差，這就使得精密軸系的迴轉誤差納米級精度檢測問題，成為確保實現迴轉誤差分離與補償、提高軸系迴轉精度的關鍵。
在國內，近年來也開展了多種迴轉誤差測量方法的研究。如國防科大黃長徵採用兩點法建立的基於雙測頭的車床主軸迴轉誤差測試系統，兩個傳感器在圓周方向相隔180°對稱安裝固定，車床主軸迴轉時傳感器不動且拾得信號，然後通過消除偏心措施和誤差分離技術求得主軸的迴轉誤差運動，且能求得測試軸的圓度誤差；哈爾濱工業大學譚久彬等採用多重多步法識別並分離標準器的圓輪廓誤差和主軸的迴轉運動誤差，主要解決了諧波抑制問題，以消除原理誤差，同時解決誤差分離過程的最簡化問題，以減小或消除機械、電氣漂移和外界幹擾的影響；上海交大李自軍等採用二次相移三點法在線檢測主軸的迴轉運動誤差，採用間隔不等的三個傳感器測頭獲得測量數據，並按二次相移原則重組數據，從而分離出迴轉誤差；中國科技大學王衛東等利用數字圖像處理技術，建立了一套主軸迴轉精度的CCD 測量系統，採用光學CCD 檢測安裝在主軸上的光源位置，進而獲取主軸迴轉時的運動誤差量，對數據處理和誤差評定進行了探討。
概括說來，目前的主軸迴轉誤差的測量方法主要有靜態測量法、動態多測頭法、多次定位法及光學測量方法等。其中，靜態測量法是一種較為原始的測量方法，它採用傳感器在主軸手動慢速迴轉下測量標準圓輪廓，因而測量精度無法進一步提高。動態多測頭法採用兩個或兩個以上的精密測頭對同一圓輪廓同時測量，測量效率高，適合在線測量；然而由於多測頭的偏置及傳感器特性的一致性限制，在高精度的應用場合應用不如多次定位法廣泛。動態多次定位的實現方法有多種，如兩步法、反轉法、多步法等等，此方法有易於實現，能夠達到較高的迴轉誤差分離精度等特點，其缺點在於（多測頭法也存在類似問題）存在由諧波抑制問題帶來的方法誤差，需要進一步的測量數據的分析處理與重建；光學測量方法可實現不藉助標準器（球）且非接觸的測量方式，使用CCD 檢測安裝在主軸上的光源位置，進而獲取主軸迴轉時的跳動信息，然而由於光學衍射等影響，此方法無法實現納米級的橫向測量解析度，因此也就無法滿足納米級精度的迴轉誤差檢測問題。可以看出，精密主軸的迴轉精度水平欲達到納米量級檢測還存在一些重要的理論和關鍵技術問題。
技術實現要素：
：
本發明的目的在於解決傳統精密主軸迴轉誤差測量方法需要昂貴的複雜測試系統及測試過程問題，提供一種基於機器視覺的主軸動態迴轉精度測試方法，以解決上述背景技術中提出的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種基於機器視覺的主軸動態迴轉精度測試方法，具體步驟如下：
（1）將光柵樣品按要求安裝在待測精密主軸上，精確調整光柵樣品在待測精密主軸上的位置，使光柵樣品在待測精密主軸迴轉中心附近；
（2）調節相機相對於光柵樣品的位置，使得相機測量範圍覆蓋到光柵樣品的基圓上；
（3）控制系統控制待測精密主軸一直轉動，用相機採集光柵樣品上的基圓圖像照片，並依次採集待測精密主軸在完整圓周位置上光柵樣品的圓弧照片；
（4）圖像分析處理系統將所獲得的若干光柵樣品刻度的基圓圖像照片進行分析，並將分析的數據進行收集，即可得到待測精密主軸的迴轉誤差數據，並進行誤差評價。
作為本發明進一步的方案：所述相機採用CCD相機，以採集光柵基圓圖像。
作為本發明再進一步的方案：所述相機測量範圍覆蓋或部分覆蓋在到光柵樣品的基圓上。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明通過使用相機，對隨精密主軸迴轉的樣品刻度進行測量及圖像處理，來實現精密主軸迴轉誤差數據的綜合測量，測量方法簡單，不需要複雜的測試系統及測試過程，則可實現主軸迴轉誤差檢測。
附圖說明
圖1是本發明方法的測量原理示意圖。
圖2是圖1中的測量部分俯視示意圖。
圖3是本發明方法的基圓圖像採集示意圖。
圖4是基圓圖像處理方法的原理示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
請參閱圖1和圖2，本發明實施例中，一種基於機器視覺的主軸動態迴轉精度測試步驟如下：
（1）將光柵樣品2安裝在待測精密主軸3上，調整光柵樣品的位置，使其在待測精密主軸3的迴轉中心附近；
（2）調解相機1相對於光柵樣品2的位置，使得相機1測量範圍覆蓋到光柵樣品2的基圓7上；
（3）控制系統5控制待測精密主軸3一直轉動，用相機1採集基圓7圖像照片（在一個完整的圓周上均勻取若干張照片），依次採集待測精密主軸3在完整圓周位置上光柵樣品2的圓弧照片，這些圓弧照片實際上是光柵樣品2的同一區域，只不過隨著待測精密主軸3的旋轉這些外貌在位置上有所不同，但都包含了待測精密主軸3的迴轉誤差信息；
（4）圖像分析處理系統6將所獲得的若干樣品刻度基圓圖像照片進行分析，即可得到待測精密主軸3的迴轉誤差數據，並進行誤差評價。迴轉誤差的測量精度和測量誤差項主要取決於相機的測量精度和能力和樣品的刻度。
本發明方法也是保證獲得高精密精度主軸迴轉誤差的關鍵之一。本發明的圖像處理系統5的具體實施方式是基於最小二乘圓算法來進行計算的。圓度誤差評定的最小二乘圓法通過工件顯示輪廓上的各點到該圓周的距離的平方和為最小圓以該圓作為基準圓，作兩個同心圓包容實際被測輪廓，該輪廓上至少一個測點與內圓接觸，另一個測點與外圓接觸。以這兩個圓的半徑差作為圓度誤差值，如圖4所示，有
其中，R為最小二乘圓半徑， Ri為實際被測輪廓上個點到最小二乘圓心的距離，fts為圓度誤差值；Rmax、Rmin分別為實際被測輪廓上各點到最小二乘圓心的距離中的最大值和最小值，ΔRmin、ΔRmax 分別為實際輪廓上各點到最小二乘圓的距離。
並假設（1）測點對坐標原點等間隔分布；（2）偏心距遠小於圓的半徑；（3）各點的極徑偏差遠小於圓的半徑。O是坐標原點，c（a，b）是圓心，Pi（xi，yi）是以O為中心等間隔分布的測量點，R為最小二乘圓直徑，c為偏心距，α為偏心的角度，如圖3所示。則有
其中，ei為各點相對於最小二乘圓心的極徑偏差。
根據假設條件c＜＜R，則：
則各點的極徑偏差為：
由最小二乘圓極徑偏差的平方和最小，有：
此時滿足：
簡化可得最小二乘圓心和半徑分別為：
其中，N為測點數目，i為測點序號，R為最小二乘圓半徑，ri為實際輪廓上各點到迴轉中心的距離。
實際輪廓上各點到最小二乘圓的距離為：
圓度誤差為：
這裡，ΔRmin、ΔRmax分別為實際輪廓上各點到最小二乘圓距離。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。