基于PSD的主轴回转误差测量系统设计与实验

发布时间：2020-03-26 00:40

【摘要】：主轴是数控机床的核心部件,其回转误差是影响机床加工精度的重要因素。回转误差的测量对于评价机床主轴的精度、监视主轴的运行状态、及时发现和诊断主轴出现的故障,具有十分重要的现实意义。位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,简称PSD)是一种光斑位置检测器件,具有位置分辨率高、响应速度快、处理电路简单等特点,适用于位置误差的在线测量。因此,本文将PSD应用于主轴回转误差的测量中,设计开发了一种适用于在线测量的回转误差测量系统,并进行了实验验证。本文主要的研究内容如下:(1)对PSD的工作原理进行分析,设计了一种PSD边缘测量方法用于主轴回转误差的在线测量中。分析了此测量方法的精度影响因素,运用背景光补偿算法对环境背景光进行补偿,并采用多种方法校正PSD边缘测量法的非线性,分析其校正精度。(2)根据测量系统的使用需求,通过仿真对比分析,采用时域两点法作为测量系统的误差分离方法。分析定位误差对测量系统的精度影响,使用最小外接圆法评价分离后的回转误差信号,并采用遗传算法对其进行求解。(3)开发基于PSD的主轴回转误差测量系统。设计测量系统的总体测量方案,对系统硬件进行了分析和选型,搭建测量系统的硬件平台;对测量系统软件的各功能进行模块化设计,开发基于虚拟仪器平台的回转误差测量软件。(4)对回转误差测量系统进行实验验证。首先进行背景光补偿实验,验证背景光补偿算法的有效性;其次采用神经网络法对PSD边缘测量法的非线性进行校正,提高了测量系统的测量精度;最后与基于电涡流位移传感器的回转误差测量系统进行实验对比,验证本文所设计的测量系统的有效性。
【图文】：

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图 1-1 S3932 型 PSD 的位置检测误差曲线SD 的研究起步较晚，直到九十年代才有研究人员开一四所等研究了枕形 PSD 的设计和制作[10]。浙江大入研究[11-13]，设计了梳状结构一维 PSD，提高了 P极结构二维 PSD 的结构与非线性进行了分析。随后SD 的研究，将 PSD 应用于不同的测量领域。浙江大计了 PSD 的测距系统[14]，详细介绍了 PSD 的信号处其测量精度达到了 0.03mm。此后，PSD 在测量领域还将 PSD 应用于铁路路基冻胀的远程监测、测量叶的在线检测[17]等方面，均取得了良好的应用效果。近度，，PSD 的非线性开始受到更多学者的关注。宋殿量系统用于薄板厚度的测量中[18]，分析了非线性、干精度的影响，使用分段最小二乘法对 PSD 的非线了±2um。Song C 研究了光束大小对 PSD 线性度的

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多点法造成测量误差的原因[32]，其研究表明工并提出了一种测量不确定度为亚纳米的测量方法种新的回转误差二维测量方法[33]，验证了回转误了现有回转误差测量方法的局限性。K. Prashanlar 针对微型高速主轴的回转误差测量问题，提出量回转误差的方法[34]，其测量精度达到了纳米级测量提出了改进方法，并取得很好的改进效果。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

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