基于PSD的主轴回转误差测量系统设计与实验

摘要

主轴是数控机床的核心部件，其回转误差是影响机床加工精度的重要因素。回转误差的测量对于评价机床主轴的精度、监视主轴的运行状态、及时发现和诊断主轴出现的故障，具有十分重要的现实意义。 位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，简称PSD）是一种光斑位置检测器件，具有位置分辨率高、响应速度快、处理电路简单等特点，适用于位置误差的在线测量。因此，本文将PSD应用于主轴回转误差的测量中，设计开发了一种适用于在线测量的回转误差测量系统，并进行了实验验证。本文主要的研究内容如下： （1）对PSD的工作原理进行分析，设计了一种PSD边缘测量方法用于主轴回转误差的在线测量中。分析了此测量方法的精度影响因素，运用背景光补偿算法对环境背景光进行补偿，并采用多种方法校正PSD边缘测量法的非线性，分析其校正精度。 （2）根据测量系统的使用需求，通过仿真对比分析，采用时域两点法作为测量系统的误差分离方法。分析定位误差对测量系统的精度影响，使用最小外接圆法评价分离后的回转误差信号，并采用遗传算法对其进行求解。 （3）开发基于PSD的主轴回转误差测量系统。设计测量系统的总体测量方案，对系统硬件进行了分析和选型，搭建测量系统的硬件平台；对测量系统软件的各功能进行模块化设计，开发基于虚拟仪器平台的回转误差测量软件。 （4）对回转误差测量系统进行实验验证。首先进行背景光补偿实验，验证背景光补偿算法的有效性；其次采用神经网络法对PSD边缘测量法的非线性进行校正，提高了测量系统的测量精度；最后与基于电涡流位移传感器的回转误差测量系统进行实验对比，验证本文所设计的测量系统的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 主轴回转误差研究背景及意义

1.2 PSD及回转误差研究现状

1.2.1 PSD国内外研究现状

1.2.2 回转误差国内外研究现状

1.3 论文的课题来源

1.4 本文主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 PSD的边缘测量方法及数据处理

2.1 引言

2.2 PSD的工作原理

2.3 PSD边缘测量方法及其影响因素

2.3.1 PSD边缘测量方法

2.3.2 PSD边缘测量的精度影响因素

2.4 PSD边缘测量的背景光补偿

2.5 PSD边缘测量的非线性标定

2.5.1 分段最小二乘法

2.5.2 BP神经网络

2.6 本章小结

第3章 基于PSD的主轴回转误差测量与误差分离

3.1 引言

3.2 主轴回转误差介绍

3.3 主轴回转误差分离方法

3.3.1 频域三点法

3.3.2 频域与时域两点法

3.4 误差分离算法仿真

3.4.1 仿真参数设置

3.4.2 仿真结果及分析

3.5 回转误差评定方法

3.5.1 最小外接圆法

3.5.2 最小外接圆求解流程

3.5.3 仿真及结果分析

3.6 本章小结

第4章 基于PSD的主轴回转误差测量系统的设计

4.1 引言

4.2 测量系统总体设计

4.3 测量系统硬件选择

4.3.1 PSD及信号处理电路

4.3.2 半导体激光器

4.3.3 数据采集卡及控制器

4.4 测量系统实现方式及误差分析

4.5 测量系统软件设计

4.5.1 软件总体设计

4.5.2 软件程序设计

4.6 本章小结

第5章 测量实验与分析

5.1 引言

5.2 PSD边缘测量的背景光补偿实验

5.3 PSD边缘测量的非线性校正实验

5.4 回转误差测量及对比实验

5.4.1 回转误差稳定性实验

5.4.2 回转误差对比实验

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及成果

攻读硕士学位期间参与的科研项目