主轴回转运动精度的计算机视觉测量系统
关芳芳1,2，程筱胜1
(1.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016）
（2.南京工程学院 工业中心，江苏 南京211167)
基于计算机视觉测量技术，建立了机床主轴回转运动精度测量系统。系统主要由CCD摄像机、计算机和相应的图像处理软件组成。利用图像传感器记录靶标特征点运动轨迹，经过图像处理软件的数据处理，可直接测得主轴的回转运动。由于靶标特征点的提取直接影响系统的测量精度，因此提出了以圆形标记作为靶标图案，采用面积矩方法提取圆心来提高系统测量精度。在MATLAB环境下编程实现图像处理和数据计算，采用最小区域圆法计算主轴回转误差。最后采用该系统对车床主轴进行了测量，试验证明，系统可以实现主轴回转运动精度的精确、快速测量，且精度达到微米级。
机床的主轴回转运动误差直接影响其加工工件的几何精度和表面光洁度，机床主轴如有误差运动，轴上安装的刀具或工件将失去固定的旋转中心，不仅影响形状精度、粗糙度和测量精度，同时在加工过程中会产生较大的噪声和振动，因此检测主轴回转误差并分析其产生原因，是机床加工过程中保障加工零件精度的有效措施。
在20世纪60年代，日本的大园成夫提出了基于三点法测量回转误差，即对安装在主轴上的标准球进行单点或多点测量，采集的数据受到标准球的安装和形状误差的干扰，必须进行误差分离才能得到主轴回转误差，其关键技术在于误差分离［1-2］。基于误差分离技术的传统测量方法很多，随着现代测量技术的发展已经相当完善。
本文将计算机视觉测量技术运用于机床主轴回转误差的测量中，该方法可以对主轴回转误差进行直接测量，避免了传统测量方法中必须误差分离，即标准球安装偏心和形状误差的分离，测量系统不需安装标准球或标准棒，测量方法简单［3-4］。
1测量原理
测量系统包括特制的圆形靶标、CCD摄像机和计算机。靶标由一组印制在一个平面上的圆形图案组成，其圆心是靶标的特征点，圆心的间距精确已知。
检测主轴回转运动时，将靶标安装在精车的工件端面中心，采集图像，主轴的回转误差体现在图像上圆心随主轴回转时的跳动上。用CCD摄像机进行拍摄，提取圆形靶标的圆心，由圆心的运动轨迹可以计算出主轴的回转误差。
测量时，采用CCD摄像机检测到圆心运动轨迹，其在x方向（水平方向）和y方向（垂直方向）的分量可以用下式描述：
x=Ecos(2πft)+Δx
（1）
y=Esin(2πft)+Δy
（2）
式中：f为主轴回转频率；E为圆形靶标的安装偏心,Ecos(2πft)和Esin(2πft)分别为其安装偏心在x方向和y方向的投影；Δx和Δy为主轴回转误差e在x方向和y方向的投影［5］。 由于圆形靶标安装偏心在后期的处理当中可由计算得到，因此可以很直观显示出一个半径为E的基圆误差图。
圆形靶标的圆心可以通过检测圆心得到，若在主轴回转期间采集n幅靶标图，即可检测得到n个特征点（圆心）的坐标(xi,yi),i=1,2,…,n。这n……
作者简介：关芳芳（1977—），女，陕西宝鸡人，南京工程学院讲师，南京航空航天大学博士研究生，主要研究方向为数字化设计制造和计算机视觉测量。
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