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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: 2022-03-15
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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

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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

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。


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国产工业光学传感器大致现状 2023 - 03 - 20 介绍工业光电传感器是现代制造业中最常用的检测设备之一,广泛应用于自动化生产线、机械加工、装配、物流搬运等行业。随着国民经济的不断发展,中国的工业光电传感器制造业也不断发展壮大,成为制造业的一支重要力量。本文旨在对中国产的工业光电传感器现状进行描述。发展历史20世纪80年代初期,我国的工业自动化程度比较低,大部分生产线仍采用人力操作,制造业存在高人力成本、低效率、品质难以保证等问题。为了提高制造业的效率和品质,中国开始引入外国的工业自动化设备,其中就包括工业光电传感器。80年代中后期,国内开始试水制造工业光电传感器,并逐步发展壮大。90年代初期,随着国民经济的增长和工业自动化的加速推进,中国的工业光电传感器制造业进入快速发展期。如今,中国的工业光电传感器制造业已经处于全球领先地位,成为世界闻名的光电传感器生产基地之一。产业链分析商业模式中国的工业光电传感器制造业商业模式主要是以生产销售为主,较少采用研发生产销售一体化模式。生产企业主要供应给自动化设备制造商,然后这些自动化设备制造商销售给最终用户,最终用户则使用这些设备来自动化生产线。除此之外,还有一些企业将工业光电传感器产品应用到自己的设备制造中,以提高自己产品的品质和效率,然后再将自己的产品销售给最终用户。在商业模式上,中国的工业光电传感器制造业与欧美等发达国家还存在一定的差距。技术研发中国的工业光电传感器制造业在技术研发方面逐渐...
激光位移传感器如何对薄膜进行测厚? 2023 - 03 - 09 激光位移传感器被广泛应用于各种领域中。其中一个很有用的应用是测量薄膜厚度。这种传感器可以在离表面很近的距离下进行高精度测量,因此非常适合这种应用。本文将介绍激光位移传感器如何用于测量薄膜厚度,包括测量方法、测量原理和市场应用。一、测量方法测量薄膜厚度的基本思路是利用激光位移传感器测量薄膜前后表面的距离差,然后通过几何公式计算出薄膜厚度。在实际操作中,测量方法大致可分为以下几种:1. 手持式测量手持式测量通常用于快速的现场检测。用户只需要将激光位移传感器靠近待测表面,然后通过读取显示屏上的数值判断薄膜厚度是否符合要求。这种方法不需要复杂的设备和步骤,非常易于使用。但是由于人手的震动和误差等因素,手持式测量的精度相对较低,只适用于需求不是特别高的场合。2. 自动化在线测量自动化在线测量一般用于工业生产线上的质量控制。这种方法需要将激光位移传感器与自动化设备相连接,将测量数据传递给计算机进行分析。在这种情况下,测量过程可以完全自动化,精度也可以得到保证。但是相对于手持式测量来说,这种方法需要的设备和技术要求更高,成本也更高。3. 显微镜下测量显微镜下测量常用于对细小薄膜厚度的测量。在这种情况下,用户需要将激光位移传感器与显微镜相结合进行测量。由于显微镜的存在,可以大大增强测量精度。但是相对于其他两种方法,这种方法需要的设备更多,并且技巧要求也更高。二、测量原理激光位移传感器利用的是激光三...
非接触激光测量和接触式测量的优缺点分析及市场应用 2023 - 03 - 08 一、概述随着现代工业的不断发展和进步,精度对于工业生产过程中所需要的各种测试测量技术要求也越来越高。而激光测量技术则是在这种背景下得以应用的,这是利用激光作为工具进行测量分析的一种方法。激光测量可以分为非接触式和接触式两种方式。二、非接触激光测量非接触激光测量技术是指激光束在不与被测物体表面发生接触的情况下,对被测物体进行测量操作。它主要利用激光的高亮度、高单色性、高方向性等特点,将测量对象和激光之间的无线电辐射或光辐射联系起来,通过对测量信号的处理,来获得被测物体的相关参数。可以广泛应用于自动化制造、工业检测、生命科学、质量控制检测等领域。2.1 非接触式测量优点(1)不会对被测物体造成损伤。激光测量技术是无损伤性的,测量过程中不会对被测物体造成任何损伤,也不会影响被测物体的结构、形状和性能。(2)精度高。非接触激光测量技术具有高精密性、高灵敏性和高分辨力,能够以亚微米级的精度获得被测物体的相关参数,减小了人为误差和测量结果的不确定性。(3)高速度。非接触激光测量技术具有快速高效的特点,对于一些需要进行即时在线检测或高频率的质检要求,非接触激光测量技术具有独特的优势。(4)测量安全。由于非接触激光测量技术可以在安全距离的范围内进行,因此保障了测量人员的身体健康和安全。2.2 非接触式测量缺点(1)不适用于暗面测量。非接触激光测量技术无法对于有光线被挡住的部位进行测量,因此适用于透...
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