[發(fā)明專利]一種激光干涉檢測(cè)軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710375587.8
• 申請(qǐng)日: 2017-05-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107121092A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉志剛;郝維娜;顧少偉;令鋒超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司61200
• 代理人: 陸萬(wàn)壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于精密激光干涉測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種激光干涉檢測(cè)軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

滾動(dòng)軸承在精密機(jī)械系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，如作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支撐部件、高速鐵路車輛支撐部件、機(jī)床主軸重要組件等。滾珠作為滾動(dòng)軸承的核心元件，承擔(dān)著減小摩擦、承載負(fù)載的作用，高精度的軸承滾珠可以增加軸承使用壽命，提高軸承旋轉(zhuǎn)精度。

然而，在滾珠的生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)存在一定的加工誤差從而導(dǎo)致生產(chǎn)滾珠的面型精度難以得到有效的保障，從而影響到整個(gè)軸承的壽命。目前，軸承滾珠的面型誤差測(cè)量主要有接觸式與非接觸式測(cè)量方法。接觸式測(cè)量容易劃傷被測(cè)件且測(cè)量效率較低；非接觸式測(cè)量通過(guò)對(duì)滾珠進(jìn)行間接測(cè)量得到面型誤差，但是對(duì)被測(cè)件的定位要求精度高，容易在測(cè)量中引入定位誤差。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種激光干涉檢測(cè)軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)及方法，其能夠?qū)Ρ粶y(cè)軸承滾珠進(jìn)行高精度的表面面型測(cè)量并通過(guò)波面擬合算法剔除測(cè)量結(jié)果中的定位誤差，得到精確的滾珠面型測(cè)量結(jié)果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種激光干涉檢測(cè)軸承滾珠面型誤差的系統(tǒng)，包括穩(wěn)頻激光器、空間濾波器、激光擴(kuò)束器、分光鏡、參考平面反射鏡、成像透鏡、CCD相機(jī)和移相裝置；穩(wěn)頻激光器的出射光路上依次設(shè)置有空間濾波器、激光擴(kuò)束器、分光鏡、測(cè)球補(bǔ)償透鏡和待測(cè)軸承滾珠；分光鏡的旁側(cè)設(shè)置有參考平面反射鏡，參考平面反射鏡連接能夠驅(qū)動(dòng)其移動(dòng)的移相裝置；參考平面反射鏡、分光鏡、成像透鏡和CCD相機(jī)位于同一光路上，成像透鏡和參考平面反射鏡設(shè)置于分光鏡相對(duì)的兩側(cè)。

進(jìn)一步的，參考平面反射鏡、分光鏡、成像透鏡和CCD相機(jī)所位于的同一光路與穩(wěn)頻激光器的出射光路垂直。

進(jìn)一步的，移相裝置包括相互連接的壓電陶瓷晶體和壓電陶瓷控制器，參考平面反射鏡連接壓電陶瓷晶體。

進(jìn)一步的，穩(wěn)頻激光器作為光源，輸出頻率穩(wěn)定的光束；光束通過(guò)空間濾波器后得到準(zhǔn)直的平面光束，再由激光擴(kuò)束器將準(zhǔn)直光束進(jìn)行擴(kuò)束，平面光束經(jīng)過(guò)分光鏡后被分成垂直的參考光與測(cè)量光兩路，其中一路參考平面光束入射到參考平面鏡后原路返回，另一路測(cè)量平面光束入射到球面補(bǔ)償透鏡后調(diào)整為球面波，經(jīng)被測(cè)軸承滾珠反射后再次經(jīng)過(guò)球面補(bǔ)償透鏡調(diào)整為平面光束，參考光束與測(cè)量光束經(jīng)分光鏡后匯合形成干涉現(xiàn)象，通過(guò)成像物鏡與CCD相機(jī)拍攝得到干涉圖像。

進(jìn)一步的，CCD相機(jī)和移相裝置均連接計(jì)算機(jī)。

一種激光干涉檢測(cè)軸承滾珠面型誤差的方法，包括：采用穩(wěn)頻激光器作為光源，輸出頻率穩(wěn)定的光束；光束通過(guò)空間濾波器后得到準(zhǔn)直的平面光束，再由激光擴(kuò)束器將準(zhǔn)直光束進(jìn)行擴(kuò)束，平面光束經(jīng)過(guò)分光鏡后被分成垂直的參考光與測(cè)量光兩路，其中一路參考平面光束入射到參考平面鏡后原路返回，另一路測(cè)量平面光束入射到球面補(bǔ)償透鏡后調(diào)整為球面波，經(jīng)被測(cè)軸承滾珠反射后再次經(jīng)過(guò)球面補(bǔ)償透鏡調(diào)整為平面光束，參考光束與測(cè)量光束經(jīng)分光鏡后匯合形成干涉現(xiàn)象，通過(guò)成像物鏡與CCD相機(jī)拍攝得到初始相位干涉圖像；初始相位干涉圖像得到后，控制進(jìn)行參考平面鏡π/2移相，CCD重復(fù)拍攝得到第二干涉圖像；朝同一方向重復(fù)進(jìn)行π/2移相，CCD重復(fù)拍攝得到第三干涉圖像。

進(jìn)一步的，通過(guò)移相干涉公式得到被測(cè)軸承滾珠上各點(diǎn)的相位信息：

I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)分別對(duì)應(yīng)三次移相時(shí)干涉圖像上任意一點(diǎn)(x,y)點(diǎn)的光強(qiáng)；

通過(guò)澤尼克多項(xiàng)式擬合，對(duì)得到的離散的面型相位信息進(jìn)行處理，得到完整的相位信息；

其中，Z_n為澤尼克多項(xiàng)式，a_n為擬合得到的澤尼克系數(shù)，N為擬合采用的澤尼克多項(xiàng)式總項(xiàng)數(shù)。

對(duì)于待側(cè)面上每一點(diǎn)(x,y),對(duì)澤尼克擬合結(jié)果的傾焦、離焦所造成的像差進(jìn)行剔除，得到準(zhǔn)確的軸承滾珠面型相位誤差信息：

φ(x,y)＝φ_k(x,y)-a₁Z₁-a₂Z₂-a₄Z₄