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基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统

日期: 2022-02-22
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摘要:为了实现50nm左右回转误差测量,设计了一种新型非接触式测量系统,该系统采用光谱共焦位移传感器,通过反向法获得回转轴系径向回转误差、标准球圆度误差。标准球圆度误差测量值与标称值的最大差值为5nm,表明该测量系统的测量精度能够满足设计要求。


关键词:回转误差;光谱共焦位移传感器;反向法;非接触式;超精密回转轴系


0   引言

空气静压主轴在超精密机床中有着越来越广泛的应用,是超精密机床的关键功能部件之一,其回转误差对机床加工质量有着重要影响,机床的精度越高,工件圆度误差中由主轴回转误差所造成的比例越大。通过回转误差的测量,获取主轴径向回转误差形貌,有助于优化空气静压主轴的加工、研磨和装配工艺,对提高主轴回转精度具有重要意义。


回转误差测量技术,按照传感器类型,可分为接触式和非接触式。接触式传感器主要应用于精度低、转速低的回转轴系,非接触式传感器主要应用于超精密回转轴系。空气静压主轴的回转精度通常可达到50nm以下,接触式传感器的接触力会随机改变回转误差形貌,测量重复性差,应采用非接触式传感器测量。常见的非接触式测量传感器有电容位移传感器、电涡流位移传感器、激光位移传感器、CCD传感器、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、激光干涉仪等。电容位移传感器、电涡流位移传感器需要一定面积(电容极板、电涡流片)去测量与距离呈相应关系的电容/电感值,反映了面与面的间隙,间距小于面宽的测量点将被均化;这两类传感器还需要采取严格的电磁干扰屏蔽措施,才能获得nm级分辨率。


激光位移传感器的精度较低,难以满足50nm以下回转误差测试。激光干涉仪需要增加额外的光路,光学镜组调节较难,受环境和人为影响大。基于CCD传感器的测量法需要进行图像处理,且受限于CCD分辨率,无法用于50nm以下回转误差测量。扫描隧道显微镜、原子力显微镜的分辨率小于01nm,但价格昂贵;而且这两类仪器的采样率一般在100Hz以下,只能实现低速测量,为了保护价格昂贵的扫描头,往往需要将转速限制到1r/min以下。为构建一套转速在300r/min以下、回转误差在50nm以下的主轴回转误差测量系统,采用非接触式光谱共焦位移传感器作为高度测量,非接触式圆光栅作为角度测量,通过标准球反向法,分离出回转误差。


1     测量原理

11标准球反向法测量原理

如图1所示,标准球轮廓中心O1绕回转中心参考点O旋转,参考点O相对传感器是不变的,距离为常量C,标准球轮廓为R(θ),轴系回转误差为ε(θ),传感器反向前测量值为H1(θ),反向后测量值为H2(θ),相对起始点A的回转轴变化角度为θB点旋转180°后位于C点。

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统


H1(θ)+(θ)+ε(θ)C          (1)

将标准球、传感器反向后,O点与传感器的相对距离发生改变,增量记为ΔC。回转轴不动,故角度θ不变。

H2(θ)+(θ)+ε(θ)=C+ΔC     (2)

由式(1)(2)可得,

(θ)=1/2(2C+ΔCH1(θ)H2(θ))       (3)

ε(θ)=1/2(H2(θ)H1(θ)ΔC)            (4)

标准球圆度误差记为Δ(θ),测量起始点A的轮廓尺寸为R(0)

(θ)=(θ)-R(0)                  (5)

ΔR(θ)=1/2(H1(0)+H2(0)H1(θ)H2(θ))   (6)


1.    2光谱共焦位移传感器(CCS)测量原理

如图2所示,当挡板小孔与光源相对半透镜成镜面对称关系时,白光点光源经平面镜照射到透镜上,形成汇聚点。折射率的差异,导致汇聚点沿光轴方向的距离不同。只有恰好汇聚到样品表面的单色光可原路返回,经平面镜反射,穿过挡板小孔处,到达频谱仪,由频谱仪测量出单色光对应的波长λ

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统


对于理想小孔(孔径无限小),样品表面测量点位于高度H(a)处,单色光λa(单线标示)能穿过小孔;测量点位于高度H(b)处,单色光λb(双线标示)能穿过小孔;测量点位于高度H(c)处,单色光λc(三线标示)能穿过小孔。Hλ呈一一对应关系。通过纳米光栅尺或者标准纳米台阶样件校准即可得到相应的函数关系。实际小孔的孔径有大小误差Δr,测量时从频谱仪上可以看到一定宽度Δλ的复色光λ+Δλ)


当小孔与光源相对平面镜不呈镜面对称关系时,只有成像点在样品前或后的某个位置的单色光才能通过小孔,原路返回的单色光反而不能通过小孔。能通过小孔的单色光,在样品表面无法汇聚成一点,若其宽度过大,有可能形成非理想反射,部分光线将偏离理想路径,Δλ变大,导致测量误差变大。


2     测量系统

2.    1测量系统组成

根据标准球反向法和CCS控制器特性,构建非接触式测量系统。系统由工控机、驱动、角度测量、高度测量、夹持工装调整单元组成,如图3所示。

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统


工控机单元实现Z轴、C轴运动控制、参数设置、数据采集、结果显示等功能。工控机单元配有PCI轴控制卡,可控制电动机运动。驱动单元由C轴驱动器、Z轴驱动器组成。角度测量单元由回转轴、增量式图光栅组成。回转轴C轴采用皮带驱动方式,电动机选用伺服电动机。高度测量单元由CCS控制器和CCS传感器组成。CCS控制器将圆光栅的原点信号作为CCS数据采集的启动信号,保证每次测量起始点都在圆光栅原点处。CCS控制器通过USB口或RS232接口将采集的角度、高度数据传输给工控机,由工控机上位软件进行数据处理。Z轴实现CCS传感器Z(竖向)粗调心,夹持工装的XYZ向精调心采用手动调节机构实现。主轴回转误差测量系统实物见图4

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统


2.    2同步方式实现信号采集

采用反向法最关键的难点是角度值和高度值的同步,要保证同步误差导致的相位差小于0。同步实现信号采集既可采用软件方式,也可采用硬件方式。当采用软件方式实现时,可采用绝对式圆光栅采集角度信号,由Windows操作系统的高精度定时(1ms或者1μs)中断触发角度、高度采集,由于Win-dows操作系统不是实时操作系统,在测量300r/min的回转误差时,定时中断必须小于55μs,才能保证同步误差在可接收范围内。当采用硬件方式实现时,CCS控制器直接采集圆光栅的正交信号,角度与高度之间的同步触发由CCS控制器内部采样电路实现如图5所示。与软件同步方式相比,硬件同步方式既减小了上位机操作系统同步时钟误差,又减小了CCS控制器通过USB通讯线缆传送高度数据产生的延迟误差,还克服了上位机无法按照严格的等时间隔访问CCS控制器内部采样寄存器数据的缺点,大大减小角度、高度的采样时间差,对于中低速回转误差测量具有非常重要的意义。

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统


由于CCS接收角度信号采用单端接法实现,只用到A+B+Z+信号,信号电缆应采取良好的屏蔽措施。电动机动力线缆与CCS采集信号线缆之间相隔在100mm以上,走向呈正交位置关系。


3     测量软件

3.    1测量流程

启动测量后,连续采集25圈数据(5圈作为一组数据进行处理),生成TXT数据文档,反转标准球和传感器,再连续采集25圈数据(5圈作为一组数据进行处理),生成TXT数据文档。对两组数据进行滤波,由式(4)(6)计算出回转误差ε(θ)、标准球圆度误差Δ(θ)。测量流程,如图6所示。

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统


32测量界面

测量软件后台处理测量流程,测量软件界面(7)显示采集参数设置、测量方法选择、测量数据所生成的图像、测量结果。测量参数设置区可设置电动机转速、单次采集圈数、采样频率。测量方法选择区可选择3种测量方法:单点法、反向法和三点法。图像显示区以笛卡尔坐标显示反向前、后消偏心的高度值曲线,分别以笛卡尔坐标、极坐标显示分离出的主轴回转误差曲线、标准球圆度误差曲线。结果显示区显示5组主轴回转误差值、标准球圆度误差值。

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统


4     测量结果

CCS控制器采样率1kHz,标准球圆度误差出厂值36nm。整套测量系统位于精密空气弹簧隔振台上,隔振台位于精密测量用隔振地基上,测量系统置于封闭外罩内。分别对三套轴(A、轴B、轴C)进行了测量,测量结果如表1、图810所示。

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统

基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统



基于光谱共焦位移传感器的非接触式回转误差测量系统



如表1,对每组的连续5圈数据进行均值化处理后,不同轴系分离出的标准球圆度误差平均值分别为003500410037μm,与出厂标称值(36nm)最大差值为5nm。表明该测量系统具有非常高的测量精度和重复性。


5     结语

基于光谱共焦位移传感器的非接触式测量系统,是一种结构简单、测量精度非常高的测量系统。该系统通过反向法获得回转轴径向回转误差、标准球圆度误差。经滤波掉系统性误差(主要为偏心)并进行均值化处理后,不同轴系的回转误差最大差值为8nm,表明该测量系统具有非常高的精度和重复性,可用于回转轴系50nm左右径向回转误差测量。


在不同回转轴系下,分离出的标准球圆度误差平均值相对出厂值的最大差值仅为5nm。该测量系统还可用于50nm以下标准球赤道附近的小范围圆度误差测量。当标准球测量点的纬度较高时,受CCS传感器和标准球轮廓尺寸限制,为了获得最佳的反射效果,需要传感器轴线处于被测纬度的法线上,因此,若要测量标准球完整纬度的圆度误差,还需要增加CCS传感器轴线转轴。



论文标题:A non contact system formeasurement of rotating error based on confocal chromatic displacement sensor


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光伏压延玻璃厚度监测中光谱共焦传感器的应用案例 2023 - 12 - 08 现代科技日新月异的发展,为我们带来了种种便利。光伏产业就是其中的一员。压延玻璃作为光伏电池板的关键材料,其厚度的精确控制直接影响到电池板性能。然而,传统的手动检测方法难以满足高精度测量的需要,光谱共焦传感器的出现彻底改变了这一问题。光谱共焦传感器,顾名思义,它利用光谱学原理和共焦技术,实现对物体的高精度,迅速,无损检测。在压延玻璃的生产过程中,我们可以使用它进行厚度的实时监测。具体步骤如下:首先,我们应该注意的是,由于压延玻璃两面的表面状态不同,一面平整光滑,另外一面则是由无数微小的半球面拼接而成。因此,在进行光学测量时,我们需要遵循激光的透光原理,从平整表面那一侧打光。这样做可以确保我们获得的数据稳定而准确。其次,由于压延玻璃在生产过程中可能会出现轻微的抖动,因此,我们需要选择具有较大测量范围的光谱共焦传感器,以弥补生产过程中的这种不确定性。一般来说,压延玻璃的厚度在2-3.5mm之间,因此我们尽量选用量程大于8mm的传感器。最后,光谱共焦传感器具有良好的穿透性能和大角度检测能力。我们可以通过检测透明物体的正反两面,以此来获取压延玻璃的厚度值。同时,由于其可以进行大角度测量,所以,即使玻璃表面存在凹凸不平的情况,也能得出稳定、准确的测量结果。本案例给我们展示了科技与生产的完美结合,使得生产过程更加精细,更加高效。我们有理由相信,随着科技的不断进步,未来生产出的光伏压延玻璃将更加完...
高速高精度激光位移传感器在音响振动频率测量中的应用实例 2023 - 12 - 08 随着科技的不断发展和进步,传感器技术得到了广泛的应用,尤其是在音响设备的振动频率测量方面。为了解决传统多普勒激光振动测量仪在成本上的投入问题,我们引入了一种低成本且高精度的解决方案--我们的高精度高速激光位移传感器LTP080系列。LTP080系列是一款卓越的激光位移传感器,它具有最高160K赫兹的采样频率,可以轻松处理100赫兹以下的低频振动测量。这使得它非常适合在音响设备的振动频率测量中使用。首先,必须将激光位移传感器准确地定位在音响设备的振动部分。然后,启动传感器进行数据采集。传感器将会收集音响设备振动的位移数据,这些数据通过微积分运算计算得出速度信息。然后,再对速度数据进行二次微积分运算,便可获取加速度信息。这样,我们便可以通过经济的方式获得音响设备的振动速度和加速度信息,无需购买昂贵的多普勒激光振动测量仪。值得注意的是,这种测量方式并不完美。它需要通过数学运算将位移数据转换为速度和加速度信息,并且对于高频振动测量可能存在局限性。然而,正是这种方法的低成本和高精度特性,使其在音响设备振动频率测量方面发挥了非凡的作用。此外,激光位移传感器还有其他一些优点,例如强大的抗干扰能力,可以适应各种环境条件,包括高温、低温、湿热等环境,以及不受照射材料、颜色及表面粗糙度的影响等。总的来说,LTP080系列高速激光位移传感器在音响设备的振动频率测量中的应用,提供了一种经济实惠且准确的解决...
有没有一种非接触测量的传感器,可以不受被测物体颜色、材质、透明度和反光量影响的? 2023 - 11 - 22 标题:光谱共焦位移传感器:实现非接触测量的无影响性能摘要:光谱共焦位移传感器是一种先进的测量设备,利用共焦技术和光谱分析相结合,能够实现对被测物体的非接触测量,并且不受被测物体材质、颜色、透明度、反光度等因素的影响。本文将详细介绍光谱共焦位移传感器的原理和优越性,展示它在各个领域的广泛应用前景。引言:传统的非接触测量方法往往会受到被测物体材质、颜色、透明度、反光度等因素的干扰,导致测量结果的准确性下降。光谱共焦位移传感器作为一种新型的测量设备,成功解决了这一难题。它基于共焦技术和光谱分析原理,具有高精度、高灵敏度和多参数同时测量等优势,被广泛应用于工业、生命科学、环境监测等领域。一、光谱共焦位移传感器的原理光谱共焦位移传感器利用共焦技术,通过快速成像和光谱分析的方法,实现对被测物体的位移测量。传感器通过发送一束激光到被测物体上,并收集反射回来的光信号。然后,利用光谱分析技术将这些光信号解析成不同波长的频谱图像。根据频谱图像的变化,可以计算出被测物体的位移信息。二、光谱共焦位移传感器的优越性1. 无受材质影响:光谱共焦位移传感器采用光谱分析技术,可以将不同波长的光信号进行解析,不受被测物体的材质影响。无论是金属、塑料、液体还是透明物体,传感器都能够准确测量其位移信息。2. 无受颜色影响:传统的传感器常常受到被测物体颜色的影响,导致测量结果的误差增加。而光谱共焦位移传感器通过分析光信号...
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