一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法

摘要

本发明公开了一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法，测试件光学平晶通过专用装夹装置与超精密机床主轴一起回转，固定在型材支架上的动态干涉仪采集待测主轴连续回转时光学平晶表面的干涉条纹，当主轴发生偏摆时造成干涉系统中光程差变化导致干涉条纹间距、倾角、数量发生变化，通过追踪干涉条纹的变化建立与主轴倾角摆动之间的理论关系。然后对干涉条纹进行灰度化、滤波、腐蚀膨胀、边缘特征提取等图像处理得到条纹的间距及方向数值，进而得出主轴倾角误差。本发明能实现机床在加工状态下实时采集干涉条纹并通过图像处理计算出主轴倾角误差。本算法简单易行，克服了利用传感器测量主轴倾角误差时易受电磁干扰的影响，为主轴倾角误差的动态测量提供了一种新思路。

说明书

技术领域

本发明涉及精密测量领域，具体是一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法。

背景技术

主轴动态性能的重要影响因素是主轴回转精度，主轴回转误差直接反应了超精密加工精度，并且机床的加工精度越高，机床的回转精度所占比例越大。大口径KDP晶体光学元件用于激光变频、电光调制和光快速开关等高科技领域，是惯性约束激光可控核聚变装置的关键元件。因此对加工精度要求非常高，如何更好的控制KDP晶体的表面质量是至关重要的。目前广泛采用超精密飞切加工技术加工KDP晶体元件。主轴偏摆是影响加工表面质量的重要因素之一；

在光学干涉测量技术领域中，对干涉条纹图像进行数值分析以获取被测目标特性的数字图像处理技术，已经被广泛的应用于流场物理参数测定、超光滑表面测量、微位移的测量等技术领域。

发明内容

本发明的目的在于针对主轴偏摆是影响KDP晶体表面质量的重要因素，提出一种新的主轴倾角误差算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：

一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法，该算法是基于搭建的主轴倾角误差在线测量系统进行的，待测精密机床主轴的上端连接专用夹具，高精度光学平晶置于专用夹具内便于固定与调整，利用干涉仪测量并获取主轴连续回转时高精度光学平晶表面的干涉条纹，将干涉仪采集的干涉条纹送入计算机进行图像分析与处理，计算出干涉条纹的间距及方向，通过计算公式获得主轴倾角误差，从而实现在线测量主轴回转误差。

一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法，其具体步骤如下：

步骤一，安装测试样件光学平晶，首先将高精度光学平晶置于专用夹具内，再将专用夹具安装在待测主轴的输入端上通过螺钉固定，通过调节专用夹具上的多个螺钉实现光学平晶的固定与微调；

步骤二，安装动态干涉仪，首先将型材支架通过阻尼弹簧减震地脚固定在机床上，其次将五维调整工作台固定安装在型材支架上，再将动态干涉仪固定安装在五维调整平台上；

步骤三，粗调型材支架上的滑块使动态干涉仪空间位置相对于光学平晶在测量范围内，然后精调五维调整平台使动态干涉仪射出的光位于主轴回转轴心处，在机床主轴回转时计算机屏幕上能显示清晰、稳定的干涉条纹；

步骤四，设置动态干涉仪采集周期为40ms，设置采集图像为M幅(如M=36)，获取主轴在连续回转时的光学平晶表面干涉条纹，对干涉条纹进行灰度化、滤波、腐蚀膨胀、边缘特征提取等图像处理得到条纹的间距e及方向，基于统计学原理通过计算多对干涉条纹的间距e和方向代入到计算公式后便可获取主轴倾角误差；

作为本发明进一步的方案：所述干涉仪为泰曼格林型动态干涉仪具有对振动不敏感，采用单CCD相移探测器适合振动环境下的高精度测试。

作为本发明进一步的方案：所述高精度光学平晶，平面度误差PV值是λ/20，其中λ=632.8nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：光学平晶为测试样件通过专用夹具安装在待测精密机床的主轴上随主轴一起转动，通过干涉仪实时采集主轴连续回转时光学平晶表面上的干涉条纹，对干涉条纹进行图像处理得到条纹的间距e及方向，通过计算公式获取主轴倾角误差，本算法简单易行，为主轴倾角误差的动态测量提供了一种新思路。

附图说明

图1为主轴倾角误差在线测试系统图；

图2为本发明算法的流程图；

图3中值滤波后的干涉条纹图像；

图4膨胀三次腐蚀后的干涉条纹图像；

图5 Canny算子提取边缘后的干涉条纹图像；

图6最终结果的干涉条纹图像；

图中 1-干涉仪、 2-型材支架、3-光学平晶、4-专用夹具、5-待测精密主轴、6-阻尼弹簧减震地脚、7-机床、8-图像采集器、9-计算机

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，本发明实施例中，一种基于干涉条纹测量主轴倾角误差新算法步骤如下：

步骤一，安装测试样件光学平晶，将高精度光学平晶(3)置于专用夹具(4)内，专用夹具(4)安装在待测精密主轴的输入端(5)上，通过调节专用夹具（4）上的螺钉实现光学平晶(3)的固定与微调；

步骤二，安装动态干涉仪，首先型材支架(2)连接阻尼弹簧减震地脚(6)固定在机床(7)上，其次将五维调整工作台固定安装在型材支架(2)上，再将动态干涉仪(1)固定安装在五维调整平台上；

步骤三，粗调型材支架(2)上的滑块使动态干涉仪(1)空间位置相对于光学平晶(3)在测量范围内，然后精调五维调整平台使动态干涉仪(1)射出的光位于主轴回转轴心处，在机床主轴回转时计算机(9)屏幕上能显示清晰、稳定的干涉条纹；

步骤四，设置动态干涉仪(1)采集周期为40ms设置采集图像为M幅(如M=36)，获取了主轴在连续回转时光学平晶表面的干涉条纹，对干涉条纹进行灰度化、滤波、腐蚀膨胀、边缘特征提取等图像处理得到条纹的间距e及方向，基于统计学原理通过计算多对干涉条纹的间距e和方向代入到计算公式后便可获取主轴倾角误差。

具体实施方式二

结合图3、图4、图5、图6说明本实施方式，所述步骤四具体包括：

步骤1，在采集干涉条纹过程中，会受到诸如传感器震荡、电子器件干扰等原因的影响，导致转换后得到的干涉条纹上产生噪声，为了保证后续处理的正确性，需对图像进行去噪处理，本算法采用中值滤波medfilt2函数抑制图像中的噪声；

步骤2，为提高提取干涉条纹边缘的准确性，需对干涉条纹图像进行膨胀、腐蚀处理，本算法采用膨胀三次腐蚀对干涉条纹图像进行处理便于下一步的边缘提取；

步骤3，完成对干涉条纹图像膨胀腐蚀处理后，需要将干涉条纹与背景区域分割开来，本算法采用OTSU阈值法自动选取阈值，它是通过以背景区域与目标区域间的方差为最大值的测量准则来进行设定的由公式可以得出：为使最大求解阈值，当为图像阈值化的最佳分割值；

步骤4，干涉条纹边缘是所要提取的目标和背景的分界线，Canny算子边缘检测的算法是寻找图像梯度的局部极大值，梯度是用高斯函数的一阶微分来计算的，而且不容易受噪声的干扰，能够在噪声和边缘检测之间取得较好的平衡，能够检测到真正的弱边缘，因此采用Canny算子进行干涉条纹边缘提取；

步骤5，在Canny算子进行边缘提取后的图像上建立坐标系如图6所示，任意提取一对相邻干涉条纹等灰度值的像素点坐标计算出该干涉条纹的间距e，然后对同条干涉条纹等灰度值的像素点坐标进行提取计算可得干涉条纹的方向；

步骤6，由已知干涉条纹的间距e和方向，根据计算公式代入可得主轴在该位置时绕X、Y轴的倾角即为主轴在该位置时倾角误差；

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。