[发明专利]一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于精密激光干涉测量领域，具体涉及一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统及方法。

背景技术

滚动轴承在精密机械系统中具有广泛的应用，如作为航空发动机转子系统支撑部件、高速铁路车辆支撑部件、机床主轴重要组件等。滚珠作为滚动轴承的核心元件，承担着减小摩擦、承载负载的作用，高精度的轴承滚珠可以增加轴承使用寿命，提高轴承旋转精度。

然而，在滚珠的生产过程中，往往会存在一定的加工误差从而导致生产滚珠的面型精度难以得到有效的保障，从而影响到整个轴承的寿命。目前，轴承滚珠的面型误差测量主要有接触式与非接触式测量方法。接触式测量容易划伤被测件且测量效率较低；非接触式测量通过对滚珠进行间接测量得到面型误差，但是对被测件的定位要求精度高，容易在测量中引入定位误差。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统及方法，其能够对被测轴承滚珠进行高精度的表面面型测量并通过波面拟合算法剔除测量结果中的定位误差，得到精确的滚珠面型测量结果。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统，包括稳频激光器、空间滤波器、激光扩束器、分光镜、参考平面反射镜、成像透镜、CCD相机和移相装置；稳频激光器的出射光路上依次设置有空间滤波器、激光扩束器、分光镜、测球补偿透镜和待测轴承滚珠；分光镜的旁侧设置有参考平面反射镜，参考平面反射镜连接能够驱动其移动的移相装置；参考平面反射镜、分光镜、成像透镜和CCD相机位于同一光路上，成像透镜和参考平面反射镜设置于分光镜相对的两侧。

进一步的，参考平面反射镜、分光镜、成像透镜和CCD相机所位于的同一光路与稳频激光器的出射光路垂直。

进一步的，移相装置包括相互连接的压电陶瓷晶体和压电陶瓷控制器，参考平面反射镜连接压电陶瓷晶体。

进一步的，稳频激光器作为光源，输出频率稳定的光束；光束通过空间滤波器后得到准直的平面光束，再由激光扩束器将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜后被分成垂直的参考光与测量光两路，其中一路参考平面光束入射到参考平面镜后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜后调整为球面波，经被测轴承滚珠反射后再次经过球面补偿透镜调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜后汇合形成干涉现象，通过成像物镜与CCD相机拍摄得到干涉图像。

进一步的，CCD相机和移相装置均连接计算机。

一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的方法，包括：采用稳频激光器作为光源，输出频率稳定的光束；光束通过空间滤波器后得到准直的平面光束，再由激光扩束器将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜后被分成垂直的参考光与测量光两路，其中一路参考平面光束入射到参考平面镜后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜后调整为球面波，经被测轴承滚珠反射后再次经过球面补偿透镜调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜后汇合形成干涉现象，通过成像物镜与CCD相机拍摄得到初始相位干涉图像；初始相位干涉图像得到后，控制进行参考平面镜π/2移相，CCD重复拍摄得到第二干涉图像；朝同一方向重复进行π/2移相，CCD重复拍摄得到第三干涉图像。

进一步的，通过移相干涉公式得到被测轴承滚珠上各点的相位信息：

I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)分别对应三次移相时干涉图像上任意一点(x,y)点的光强；

通过泽尼克多项式拟合，对得到的离散的面型相位信息进行处理，得到完整的相位信息；

其中，Z_n为泽尼克多项式，a_n为拟合得到的泽尼克系数，N为拟合采用的泽尼克多项式总项数。

对于待侧面上每一点(x,y),对泽尼克拟合结果的倾焦、离焦所造成的像差进行剔除，得到准确的轴承滚珠面型相位误差信息：

φ(x,y)＝φ_k(x,y)-a₁Z₁-a₂Z₂-a₄Z₄