一种转轴旋转精度光学测量系统和测量方法与流程

1.本发明属于高精度机械装配技术领域，涉及旋转精度测量，具体涉及一种转轴旋转精度光学测量系统和测量方法。


背景技术：

2.在机械设备装配调试过程中，旋转轴的高精度装配是一项非常重要的项目。旋转轴的装配精度经常会决定装备的整体性能，例如机加工机床上电机转轴的旋转精度决定了加工精度的上限，又如在一些大型高负载设备上，转轴工作时承受极高负荷，转轴装配精度影响设备寿命。大型离心机的旋转轴经常会承受上百g值的加速度，当旋转轴的装配偏差较大时，会造成转轴断裂等重大安全事故。传统的测量转轴旋转装配精度的方法如采用千分表进行测量，测出的结果为径向跳动量，近年有一些通过位移传感器进行转轴旋转装配精度的测量方法的报道，同样也是检测的径向跳动量，不能够准确的评估旋转轴的角度误差量。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明目的之一在于提供一种转轴旋转精度光学测量系统和测量方法。
4.其技术方案如下：
5.一种转轴旋转精度光学测量系统，包括可自转地安装于设备上的转轴，其关键在于，所述转轴的一端安装有平面镜调整装置，该平面镜调整装置上安装有平面反射镜，该平面反射镜位于所述转轴外且其反射面背向所述转轴的端面，所述平面镜调整装置用于调节所述平面反射镜的反射面与所述转轴轴心线的角度；
6.所述平面反射镜的反射面外设置有多向调节装置，该多向调节装置上设置有自准直仪，该自准直仪的出射光束朝向所述平面反射镜，所述多向调节装置用于调节所述自准直仪的位置和姿态。
7.作为优选技术方案，上述平面镜调整装置为二维角度调整台。
8.作为优选技术方案，上述多向调节装置包括五维调整台，该五维调整台固定在光学平台上。
9.本发明目的之二在于提供一种转轴旋转精度测量方法。
10.其技术方案如下：
11.一种转轴旋转精度测量方法，其关键在于按以下步骤进行，
12.s1，设置如上任意一项所述的转轴旋转精度光学测量系统；
13.s2，平面镜角度标定：打开所述自准直仪的开关，调整所述多向调节装置，使得自所述自准直仪发出的光束照射到所述平面反射镜，并根据所述转轴转动时返回光叉丝的跳动量，通过所述平面镜调整装置调节所述平面反射镜的姿态，直至返回光叉丝的跳动最小，此时认为所述平面反射镜的反射面与所述转轴轴心线垂直；
14.s3，旋转精度测定：通过调整所述多向调节装置来调节所述自准直仪的姿态，使得返回光叉丝与出射光叉丝重合，然后使所述转轴转动，根据返回光叉丝的跳动值得到所述转轴的旋转角度误差。
15.作为优选技术方案，上述步骤s2包括：
16.s21，光学系统校准：保持所述转轴静止；打开所述自准直仪的开关，调整所述多向调节装置，使得自所述自准直仪发出的光束照射到所述平面反射镜，且所述返回光叉丝与出射光叉丝重合；
17.s22，平面镜角度检测：使所述转轴转动并带动所述平面反射镜旋转，此时返回光叉丝将在所述自准直仪上形成圆形或近圆形轨迹，根据该轨迹拟合出拟合圆的形状和圆心位置；
18.s23，平面镜角度调节：调整所述平面镜调整装置以调节所述平面反射镜的角度，使得返回光叉丝向步骤s22中所述拟合圆的圆心靠近；
19.s24，重复所述步骤s22和s23，直至返回光叉丝的拟合圆直径最小，此时认为所述平面反射镜的反射面与所述转轴轴心线垂直。
20.作为优选技术方案，上述步骤s22中，根据所述轨迹拟合计算拟合圆的形状和圆心位置的具体过程为：
21.以准直仪的探测平面建立坐标系，选择所述轨迹上的n个点并测量其角坐标，并转换为直角坐标，将第i个点记为(xi,yi)，其中n＝3；
22.将点的直角坐标代入圆的一般公式x2 y2 dx ey f＝0，得到n个方程
[0023][0024]
计算得到未知数d、e、f的值，从而得到拟合圆方程，再计算圆心坐标。
[0025]
作为优选技术方案，上述步骤s22中，采用最小二乘法进行拟合，均匀选取轨迹上的n个点，n≥4且为整数；
[0026]
首先令所述轨迹上第i个点(xi,yi)到拟合圆的边缘的距离为
[0027][0028]
则所述轨迹上的点到拟合圆的边缘的距离的平方和为函数
[0029][0030]
将第1～n个坐标点的坐标(xi,yi)代入上述函数，
[0031]
再对p(d,e,f)函数的d、e、f求偏导数，令偏导数等于0，组成如下方程组：
[0032][0033][0034][0035]
求解上述方程组，得到d、e、f的值，从而得到拟合圆的方程。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果：测量系统简单，基于光学原理进行测量，首
先对作为转轴光学标记的平面反射镜的安装角度进行标定，再进行转轴跳动角度测量，将人员操作引入的误差因素影响最小化，较物理尺规测量方法准确度更高，适应各种尺寸的转轴的旋转精度测量。
附图说明
[0037]
图1为本发明的光学测量系统示意图；
[0038]
图2为本发明的测量方法流程图。
具体实施方式
[0039]
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0040]
如图1，一种转轴旋转精度光学测量系统，包括可自转地安装于设备上的转轴1，所述转轴1的一端安装有平面镜调整装置2，该平面镜调整装置2上安装有平面反射镜3，该平面反射镜3位于所述转轴1外且其反射面背向所述转轴1的端面，所述平面镜调整装置2用于调节所述平面反射镜3的反射面与所述转轴1轴心线的角度，即进行二维平面角度的调节。
[0041]
所述平面反射镜3的反射面外设置有多向调节装置5，该多向调节装置5上设置有自准直仪4，该自准直仪4的出射光束朝向所述平面反射镜3，所述多向调节装置5用于调节所述自准直仪4的位置和姿态，从而调节出射光束的高度和出射角度。
[0042]
平面镜调整装置2可以是二维角度调整台。
[0043]
多向调节装置5包括五维调整台，该五维调整台固定在光学平台6上。
[0044]
二维角度调整台与五维调整台均为现有成熟装置。
[0045]
本系统依靠平面反射镜3和自准直仪4组成的光学体系来进行转轴旋转精度测量。下面具体说明基于上述系统进行测量的方法。
[0046]
如图2，一种转轴旋转精度测量方法，按以下步骤进行：
[0047]
s1，设置如上所述的转轴旋转精度光学测量系统；
[0048]
s2，平面镜角度标定：打开所述自准直仪4的开关，调整所述多向调节装置5，使得自所述自准直仪4发出的光束照射到所述平面反射镜3，并根据所述转轴1转动时返回光叉丝的跳动量，通过所述平面镜调整装置2调节所述平面反射镜3的姿态，直至返回光叉丝的跳动最小，此时认为所述平面反射镜3的反射面与所述转轴1轴心线垂直；
[0049]
s3，旋转精度测定：通过调整所述多向调节装置5来调节所述自准直仪4的姿态，使得返回光叉丝与出射光叉丝重合，然后使所述转轴1转动，获取返回光叉丝的跳动值，该返回光叉丝的跳动值即为所述转轴1的旋转角度误差。
[0050]
在一种具体实施方式中，步骤s2包括：
[0051]
s21，光学系统校准：保持所述转轴1静止；打开所述自准直仪4的开关，调整所述多向调节装置5，使得自所述自准直仪4发出的光束照射到所述平面反射镜3，且所述返回光叉丝与出射光叉丝重合；
[0052]
s22，平面镜角度检测：使所述转轴1转动并带动所述平面反射镜3旋转，此时返回光叉丝将在所述自准直仪4上形成圆形或近圆形轨迹，根据该轨迹拟合出拟合圆的形状和圆心位置；该拟合圆反映了平面反射镜3的反射面与转轴2轴心线之间的角度；
[0053]
s23，平面镜角度调节：调整所述平面镜调整装置2以调节所述平面反射镜3的角
度，使得返回光叉丝向步骤s22中所述拟合圆的圆心靠近；
[0054]
s24，重复所述步骤s22和s23，直至返回光叉丝的拟合圆直径最小，即返回光叉丝的跳动最小，理想状态下返回光叉丝位于拟合圆圆心。此时，认为所述平面反射镜3的反射面与所述转轴1轴心线垂直。
[0055]
所述步骤s22中，根据所述轨迹拟合计算拟合圆的形状和圆心位置的具体过程为：
[0056]
以准直仪的探测平面即分化板建立坐标系，选择所述轨迹上的n个点并测量其角坐标，并转换为直角坐标，将第i个点记为(xi,yi)，其中n＝3；
[0057]
将点的直角坐标代入圆的一般公式x2 y2 dx ey f＝0，得到n个方程
[0058][0059]
计算得到未知数d、e、f的值，从而得到拟合圆方程，再计算圆心坐标。
[0060]
为更准确的求出d、e、f的值，在一种优选实施方式中，所述步骤s22中，采用最小二乘法进行拟合，均匀选取轨迹上的n个点进行计算，n≥4且为整数：
[0061]
首先令所述轨迹上第i个点(xi,yi)到拟合圆的边缘的距离为
[0062][0063]
则所述轨迹上的点到拟合圆的边缘的距离的平方和为函数
[0064][0065]
将第1～n个坐标点的坐标(xi,yi)代入上述函数，
[0066]
再求参数d、e、f使得p(d,e,f)的值最小。具体地，对p(d,e,f)函数的d、e、f求偏导数，令偏导数等于0，组成如下方程组：
[0067][0068][0069][0070]
求解上述方程组，得到d、e、f的值，从而得到拟合圆的方程。
[0071]
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。