光电检测技术在主轴误差识别中的应用

摘要

本文介绍了基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究，分析了国内外数控机床几何误差检测技术的发展现状，并介绍了高精度的CCD激光位移传感器的发展与基本原理，在此基础上，简单介绍了CCD传感器在主轴误差识别中的原理和系统硬件组成，并与传统的测量方法进行了比较，最后提出了CCD传感器在主轴误差识别领域的发展方向。

1、问题提出

装有数字程序控制(NC)系统的机床被称为数控机床，现代数控机床已不是靠挡板、行程开关、凸轮模拟等原始控制手段来实现加工控制的普通机床。高速化、高精度化仍然是数控机床今后的主要发展方向之一。高速加工是90年代蓬勃发展起来的一项高新技术，现已在工业发达国家得到了广泛的应用，取得了极其显著的技术经济效益。高速加工不仅具有极高的生产效率，而且由于切削力的大幅度降低、切削热被迅速带走，可以显著提高零件的加工精度和表面质量。高速加工的切削速度、进给速度都高于常规速度的5-10倍以上。 这些高速及超高速机床的动态特性的研究己成为一个新的研究课题。机床极微弱的振动都有可能破坏精密或超精密加工。机床的高速、高精度化要求机床结构具有更高的抗振性能。精密回转轴系是精密机床和精密仪器的关键部件，是系统精度的基础。

精密机械加工中由于存在各种误差因素，不可能达到理想要求，总会存在各种误差。形成这些误差的因素有很多种，如动力传动链误差、结构误差，热误差、主轴回转误差等，其中对零件加工误差有最直接影响的是主轴回转运动误差。实验结果表面:精密车削的圆度误差约有30%-70%是由于主轴的回转误差引起的，且机床的精度越高，所占的比例越大。

随着机械、电子、光学产业的迅速发展，对机床的检测精度

要求也越来越高，传统的检测方法越来越不能满足机床误差检测的需求。激光检测技术是近年来发

展迅速的一种新型检测技术。激光（LASER）实际上是60年代发明的一种光源，LASER是英文“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦一氖激光器和氢激光器，固体激光器有红宝石激光器，半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。激光有很多特性:首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的；其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”；再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。因此，激光不仅方向性强、亮度高，而且单色性好、相干性好。

激光检测技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，把被测对象的移动距离经过光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结果，并数字显示。激光测试具有测量精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。激光 测试是一种集光学技术、现代激光、电子学、计算机、精密机械等多学科技术于一体的检测方法。基于激光测试技术的各种优点，激光测试技术在工业领域已经得到了广泛应用。

数控机床中的主轴，如果具有误差运动，那么，轴上的刀具或者被加工件就会失去固定的回转中心，影响形状精度、粗糙度和测量精度，同时回转误差运动将导致强烈的振动和噪声，这对精密机械来说是不允许的。通过测量主轴回转误差可以预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度；还可用于机床加工补偿控制和评价机床主轴的工作精度；可以分析、判断产生加工误差的原因；监视回转轴的运行状态，及时发现和诊断回转轴出现的故障等。因此对主轴，特别是精密主轴的回转精度的研究显得非常重要。

2、技术使用

CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge \"Bubble\" Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司持续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild

Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。CCD激光位移传感器测量原理如图2-1所示。

图2-1 CCD激光位移传感器测量原理

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，

动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

3、实施方法 3.1测量原理

使用CCD检测主轴回转误差时，采集的是安装在主轴上的光源信号，主轴的回转误差体现在光源信号随主轴回转时的跳动上。由于不使用标准球，因此不存在安装偏心和形状误差的分离，减少了中间环节的计算误差，测量精度取决于实验设备，主要是指CCD像元的大小。但采用光学系统放大被测物体以及新的分析和处理方法也能提高整个系统的精度，从而达到亚像素测量。

对主轴的回转误差进行测量时，CCD图像传感器检测到的光斑信号经处理成为一个特征点，它的运动在水平方向上的分量可以用下列数学表达式描述:

emaxliminli,i1,2,...,n

Ecos(2f0t)式中，f0为主轴回转频率；E为光源的安装偏心，

为光源安装偏心在水平方向上的投影；为主轴回转误差e在水

平方向上的投影。由于光源的安装偏心在后期的处理当中可由计

算得到，因此可以很方便、直观地显小出一个半径为E的基圆误差图。

光斑的位置用重心法求出，重心法是对灰度加权平均的过程，如图3-1所示，此图即是光斑信号在xy平面( CCD靶而)上的光强分布图，在xy平面上显小的是二维的光斑信号分布区域，Z为光强(灰度值)。

图3-1 灰度分布图

实际上，CCD输出的电信号是对光斑信号在空间离散化的结果，用（i,j）表示像素的位置，Z（i,j）表示该像素的灰度值，则可以得到整个光斑的光重心位置：

Z(i,j)jxi,jZ(i,j)i;yi,ji,jZ(i,j)i,jZ(i,j)

若在主轴回转期间采集l n }li}光斑图，使用上述方法求出这n个特征点的坐标(xi,yi)，i=1,2,„,n。由此n个点的坐标可以拟合出一个最小二乘圆，设最小二乘圆心坐标为(a, b)和半径为r，则求出最小二乘圆心坐标（a,b）和半径r后，再计算每个特征点到这个圆心的距离li:

li(xia)(yib),i1,2,...,n

22由最小区域圆法可知主轴的回转误差即为：

emaxliminli,i1,2,...,n

3.2硬件组成

实验系统是一个光电检测系统，它由机床、被测光源、光电转换部分及数据处理部分组成，光电转换部分将光强信号转化为模拟的电压信号，最后通过数据处理部分将模拟信号转化为数字信号并最终计算出光斑的位置。整个实验装置如图3-2所示。

图3-2 试验装置系统连接图

4、使用效果

由于CCD摄像头本身暗电流的影响，以及室内环境仍有一定的亮度，图像在无光斑处也有一定的输出值，其灰度值约为10-16。计算光斑重心时为减少暗电流及杂散光的影响，采用电平切割的方法。设定的阂值为17，灰度值低于这个阂值的全部置为0，高于这个l}7值的再减去这个阈值。

在测量不同转速的主轴回转误差时，需要设定CCD系统检测时的曝光频率。主轴转速越高，曝光频率也应提高。但曝光频率高时，每次的曝光量将减小，此时应相应提高光强以使每个光斑中的最大灰度值接近其饱和值。

为了提高信噪比，每次检测前要先采集一幅光斑图，用程序判断图中是否存在灰度值饱和的区域，如果有，就应该减小光源的亮度，重新采集、判断，直到图中最大的灰度值接近饱和值为止。

通过在不同机床上的多次对比实验，得出结论如下:

(1)实验用的光源必须要充分模糊成为无指向的散射光，其电源也需要稳定和长效，以保证标定和拍摄时亮度的一致性，否则在计算光斑重心时会产生误差。

(2)此方法对于测量普通机床主轴的回转精度来讲，是个简单易行、调试方便、操作快捷可行的测量办法。

(3)随着CCD的制作工艺的提高，制作材料的改进，CCD像元尺寸的进一步减小，输出信号稳定性的进一步提高，以及能实现亚像素级精密测量的新的处理方法不断出现，CCD将更多应用于精密机床的检测。

5、展望

在传统数控技术的发展上，由于经验、技术和工业基础的差距，我国与世界先进国家有着较大的差距。但是随着国内基础工业以及误差检测技术和误差补偿技术的发展，为我国数控设备及自动化，特别是为高精度的数控加工技术奠定了必要的技术和物质基础。

结合数控机床误差检测技术和补偿技术的国内外研究现状，本文认为还有以下几个方面将是以后的研究重点:

1、寻找和开发一种预测能力更强、预测精度更高的热误差补偿数学模型。这个数学模型在机床运行的不同条件下，都能很好的预测机床主轴的热变形。

2、研究和开发一种测量精度高、操作简单、测量周期短、价格适中的新型激光干涉仪。

3、为了更好的实时测量机床主轴的温度值，应该研发出一种测量精度高、价格适中、非接触式的光电传感器。

4、在机床加工过程中，如何实现机床主轴热变形的实时测量是以后研究的重中之重，也是实现数控机床误差实时补偿的关键技术之一。

参考文献

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[2] 陈骥，王鑫，曹久大，周兆丰. 高速CCD激光传感器[J]. 光学精密工程,2008,(4)：611-616.

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[4] 曹永洁. 基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究.浙江大学.硕士学位论文.2006（5）.