摘要: 作为现代工业的基础，机床的加工精度不断提高，为了保证机床的加工性能，对机床轴系的径向回转运动进行监测和补偿显得尤为重要，尤其是针对高速轴系的径向回转误差测量。随着机床轴系的转速从数千转逐步提升至数万转甚至数十万转，高端机床对高速轴... 展开 作为现代工业的基础，机床的加工精度不断提高，为了保证机床的加工性能，对机床轴系的径向回转运动进行监测和补偿显得尤为重要，尤其是针对高速轴系的径向回转误差测量。随着机床轴系的转速从数千转逐步提升至数万转甚至数十万转，高端机床对高速轴系测量技术提出了极为严苛的要求。现有经典的轴系径向回转误差测量方法在轴系低速回转状态下具有极高的测量精度，但是受限于测量系统的响应频率，现有测量方法难以用于轴系在高转速状态下的轴系径向回转误差测量，无法满足上述技术领域对高速轴系径向回转误差测量的要求。 本论文“基于靶标轨迹追踪的高速轴系径向回转误差测量方法研究”旨在针对上述问题，为高速轴系测量技术提出一种具备大动态测量范围的径向回转误差测量方法，并对该方法进行原理分析及在实验室条件下对高速轴系在30000r/min转速下进行实验验证。本论文的研究成果可推广应用于高端数控机床轴系运动误差测量与补偿等前沿工程领域。本论文主要研究内容如下： 系统地分析了国内外轴系径向回转误差测量技术的发展现状，指出了目前制约高速轴系径向回转误差测量走向更高转速的主要问题：由于被测轴系转速提升引起轴系回转周期缩短，为了保证被测轴系回转周期内足够的采样点数，因此需要提高位移传感器的响应频率，但是由于经典测量方法中测量系统单位时间内测量数据获取能力不足，经典的轴系径向回转误差测量方法应用于高速轴系的测量时，由于采样点数不足，将导致测量结果中高频信息丢失。因此开发一种能够实现高速轴系径向回转误差测量中大带宽采样的方法是实现高速轴系回转误差测量中亟待解决的关键技术问题。 针对现有轴系径向回转误差测量方法中存在测量系统响应频率不足的问题，建立了一种基于端面单点运动轨迹的高速轴系径向回转误差测量模型，提出了一种基于靶标轨迹追踪的高速轴系径向回转误差测量方法。利用面阵图像传感器直接记录回转过程中轴系端面上的标记点运动轨迹，实现对轴系端面处的径向回转运动误差直接测量。相较于ISO230-7:2015中规定的测量模型，该模型将单点串行采样测量转换成为多点并行测量，从而突破测量系统响应频率对于高速轴系径向回转误差测量的制约，为实现高速回转轴系径向回转误差的测量奠定了理论基础。 针对现有机器视觉方法在高速对象测量中出现图像退化导致信噪比衰退的问题，提出了一种基于信号光源波长选择融合环境噪声谱线压缩的信噪比提升方法。该方法建立了信号与噪声不等时积分条件下的靶标运动轨迹图像信噪比退化模型，基于主动光源与背景杂散光的光谱成分差异，通过对通光窗口光学滤波曲线的设计，实现对环境噪声积分谱段的显著压缩，解决了轴系高速回转中靶标轨迹图像信噪比降低的问题。 设计了一种基于靶标轨迹追踪的高速轴系径向回转误差测量系统，并针对现有数字图像处理算法大多面向边缘定位、对象提取而忽视对物体中心定位，尤其是面对本论文中具有特定形貌靶标光斑中心定位时，基于经典边缘定位算法求解光斑中心而导致对其中心定位不精确的问题，提出了基于径向高斯拟合的靶标轨迹中心定位方法。在对基于主动光源的光斑形貌进行仿真和实验分析的基础上，采取基于局部区域效应的边缘定位方法以获得靶标运动轨迹的最小二乘拟合圆圆心，进而采用基于径向高斯拟合的靶标轨迹质心定位方法获取更为精确的靶标运动轨迹。 根据上述内容对基于靶标轨迹追踪的高速轴系径向回转误差测量方法，进行了包含基于主动光源的合作靶标、高感光度图像传感器、基于区域边缘效应的靶标轨迹边缘提取算法与基于径向高斯拟合的靶标轨迹质心定位方法的测量系统完整设计。在此基础上对某高速静压气浮电主轴进行径向回转误差测量，测试了所搭建的高速轴系径向回转误差测量系统的测量重复性，实验结果表明，其在各个转速下测量结果最大标准差为0.07μm，在主轴30000r/min转速下的测得的径向回转误差为2.58μm，测量不确定为1.2μm（k=2）。 收起