[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

权利要求书

1.一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统，其特征在于，包括稳频激光器(1)、空间滤波器(2)、激光扩束器(3)、分光镜(4)、参考平面反射镜(5)、成像透镜(9)、CCD相机(10)和移相装置；

稳频激光器(1)的出射光路上依次设置有空间滤波器(2)、激光扩束器(3)、分光镜(4)、测球补偿透镜(7)和待测轴承滚珠(8)；

分光镜(4)的旁侧设置有参考平面反射镜(5)，参考平面反射镜(5)连接能够驱动其移动的移相装置；

参考平面反射镜(5)、分光镜(4)、成像透镜(9)和CCD相机(10)位于同一光路上，成像透镜(9)和参考平面反射镜(5)设置于分光镜(4)相对的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统，其特征在于，参考平面反射镜(5)、分光镜(4)、成像透镜(9)和CCD相机(10)所位于的同一光路与稳频激光器(1)的出射光路垂直。

3.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统，其特征在于，移相装置包括相互连接的压电陶瓷晶体(6)和压电陶瓷控制器(11)；参考平面反射镜(5)连接压电陶瓷晶体(6)。

4.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统，其特征在于，稳频激光器(1)作为光源，输出频率稳定的光束；光束通过空间滤波器(2)后得到准直的平面光束，再由激光扩束器(3)将准直光束进行扩束，平面光束经过分光镜(4)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(5)后原路返回，另一路测量平面光束入射到球面补偿透镜(7)后调整为球面波，经被测轴承滚珠(8)反射后再次经过球面补偿透镜(7)调整为平面光束，参考光束与测量光束经分光镜(4)后汇合形成干涉现象，通过成像物镜(9)与CCD相机(10)拍摄得到干涉图像。

5.根据权利要求1所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统，其特征在于，CCD相机(10)和移相装置均连接计算机(12)。

6.一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的方法，其特征在于，基于权利要求1至5中任一项所述的一种激光干涉检测轴承滚珠面型误差的系统，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。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过移相干涉公式得到被测轴承滚珠上各点的相位信息：

φk(x,y)=arctanI1(x,y)-I3(x,y)2I2(x,y)-I1(x,y)-I3(x,y)]]>

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：

φk=Σn=1NanZn]]>

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

其中φ_k(x,y)为原始拟合结果，φ(x,y)为最终拟合结果，Z₁，Z₂，Z₄与a₁，a₂，a₄分别为泽尼克多项式第1，2，4项与相对应的拟合得到的泽尼克系数；

将每一点的相位信息转化为面型信息：

h(x,y)=φ(x,y)2π×λ2=φ(x,y)4π·λ]]>

其中λ为稳频激光器(1)出射波长；得到最终的测量结果。