[发明专利]一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置与方法

权利要求书

1.一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量装置，其特征在于，包括：待测主轴(1)，光栅(2)，用于装夹光栅(2)的装夹装置(3)，激光器(4)，凸透镜(5)，折光元件(6)，光电转换器(7)，信号处理电路(8)和上位机(9)；其中，光栅(2)通过装夹装置(3)固定在待测主轴(1)的回转端面上，凸透镜(5)和折光元件(6)位于激光器(4)与光栅(2)之间，凸透镜(5)和折光元件(6)的光学轴线与激光器(4)产生的激光同轴；所述待测主轴(1)的回转端面，光栅(2)和装夹装置(3)的轴线重合；所述光栅(2)为具有环形结构的反射式衍射光栅；每个同轴设置的激光器(4)，凸透镜(5)和折光元件(6)为一组，所述组的数量为n，n满足：n≥2，组的安装位置位于光栅(2)的等分角半径，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径；

测量原理为，激光器(4)发出的激光依次经过凸透镜(5)和折光元件(6)后垂直入射到光栅(2)上，光栅(2)产生的正负级衍射光再依次经过折光元件(6)和凸透镜(5)后汇聚到光电转换器(7)的工作面上，形成拍频干涉信号，所述拍频干涉信号经过信号处理电路(8)的处理转变成待测主轴(1)的径向回转误差信息，所述径向回转误差信息通过上位机(9)输出。

2.一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、根据激光器(4)的个数确定等分角半径位置，所述等分角半径为将180°圆心角等分为n份的半径，n为激光器(4)的个数，n满足：n≥2；

步骤b、调整激光器(4)、凸透镜(5)与折光元件(6)的位置，使凸透镜(5)和折光元件(6)的光学轴线与激光器(4)产生的激光同轴，使激光器(4)发出的激光依次通过凸透镜(5)和折光元件(6)后垂直入射到光栅(2)的等分角半径上；

步骤c、调整光电转换器(7)与凸透镜(5)之间的距离，使光栅(2)产生的正负极衍射光经过折光元件(6)和凸透镜(5)后，在光电转换器(7)的工作面上形成拍频干涉信号；

步骤d、光电转换器(7)将获得的干涉信号的光学信息以特定采样频率f转换为电学信息传送给信号处理电路(8)；

步骤e、信号处理电路(8)对接收到的信号进行辨向计数以及矢量合成，解调出光栅(2)的位移信息；

步骤f、上位机(9)输出光栅(2)的位移信息，即待测主轴(1)的径向误差信息；

步骤g、评定待测主轴(1)的径向回转误差。

3.根据权利要求2所述的一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，步骤d所述的光电转换器的采样频率f与主轴回转周期T之间存在如下关系：T＝k/f，其中，k为正整数。

4.根据权利要求2所述的一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，步骤e所述的矢量合成包括以下步骤：

步骤e1、根据激光器(4)的个数n，由相邻等分角半径所在的直线两两组合，形成n-1个坐标系，坐标系的两轴的夹角为α，有：α＝180°/n；

步骤e2、根据检测到待测主轴(1)的径向位移两两进行矢量合成，合成的矢量即为该坐标系下待测主轴(1)的径向回转误差，合成的矢量与等分径向线上检测到的的径向位移有如下关系：

其中，A₁和A₂分别为两个等分角半径方向的径向位移模，A为合成矢量方向的径向位移模；α为相邻两个等分角半径的夹角；β和θ分别为合成矢量方向与两个等分角半径方向的夹角。

5.根据权利要求2所述的一种基于衍射光栅的主轴径向回转误差测量方法，其特征在于，步骤f所述评定待测主轴(1)的径向回转误差E为：E＝max(A)，其中，max()表示取最大值。