CN101614563B - 基于二截面径向差和倾斜量提取主轴回转精度测量方法 - Google Patents

Abstract

基于二截面径向差和倾斜量提取的超精密主轴回转精度测量方法属于超精密测量与超精密加工技术领域，该方法包括基于倾斜量提取的超精密主轴或转台轴向回转精度测量方法和基于二截面径向差的角回转精度测量方法两部分；基于最小二乘法分别对圆度标准器某一截面进行二次径向回转精度测量，通过二次径向差与回转角几何关系获得被测轴系的角回转精度；基于最小二乘圆评定法提取平面平晶中心相对于被测轴系倾斜量，在轴向回转精度测量中自动分离此倾斜误差；本发明中的测量方法可有效消除角回转精度和轴向回转测量过程中存在的误差源，大大提高超精密主轴或转台回转精度的测量精度。

Description

基于二截面径向差和倾斜量提取主轴回转精度测量方法 

技术领域

本发明属于超精密测量与超精密加工技术领域，主要涉及一种基于二截面径向差和倾斜量提取的超精密主轴或转台的回转精度测量方法。 

背景技术

在超精密计量测试和超精密加工领域中，具有高回转精度的超精密主轴或单/多轴转台的作用是提供高精度回转基准，是超精密仪器和设备不可缺的关键单元。超精密主轴或单/多轴转台的应用十分广泛，如：可用作卫星相机的轴线空间位置标定、定心和机构安装；发动机同轴度检测和惯性导航设备的测试与标定等。随着超精密仪器和设备对回转基准的精度需求逐步增长以及转台本身加工工艺的完善，目前回转精度指标也在飞快的增长。如英国RPI公司的高精度转台轴向回转精度可以达到＜5μm，径向回转精度可以达到＜1μm；对于超精密测量仪器设备中的回转运动的基准而言，回转精度指标还要高1-2个数量级，英国Taylor Hobson公司的高精度圆度/圆柱度仪回转轴系的径向回转精度＜20nm，国内哈尔滨工业大学研制的基准型圆度/圆柱度仪回转轴系的径向回转精度＜15nm。所以对于超精密主轴或单/多轴转台的回转精度的测量与校准也提出了更高的挑战，不仅要求具有高精度的测量校准设备，还要有先进完善的测量方法。 

主轴或转台回转精度的测试方法较多传统的有打表法、单向测量法和双向测量法。随着回转精度指标的提高传统测量方法已无法满足，如打表法测量方法简单但测量精度差；单向测量法只适合回转精度敏感方向的测量；双向测量法忽略了圆度标准器的形状误差而且无法消除偏心误差。目前测量精度高的方法多采用误差分离的方法，误差分离法主要包括反向法、三点法和多步法等，通过以上误差分离的方法可实现高达几纳米的测量精度。但是误差分离法实际测量的是转台的径向回转精度，一般情况下将主轴或转台径向回转精度等效成其回转精度，因为其它回转精度分量小于径向回转精度，所以利用误差分离法对主轴或转台回转精度测量时将其它回转精度分量忽略。 

主轴或转台轴系回转精度是一综合性的指标，包括径向回转精度Δμ，轴向回转精度Δδ，角回转精度Δθ等三个分项误差，如图1所示。虽然轴向回转精度相对于径向回转精度对转台回转精度综合性能影响要小，但是根据转台的用途不同某些场合下，轴向回转精度是不可忽略的，如超精密主轴应用于超精密车床的回转主轴时，轴向回转精度相对于其它回转精度分量对刀具进刀量的影响要高很多；另外误差分离法也无法兼顾角回转精度的测量，主轴或转台在某些应用场合其角回转精度也是不可忽略的误差源，如在航空飞机发动机转子和定子径跳检测过程中，超精密主轴或转台角回转精度对发动机径跳的影响相对其它回转精度分量影响是测量过程中的主要误差源。 

回转精度作为超精密主轴或转台重要的精度指标，对其准确的测量和检测是十分重要的，而合理有效的测量方法更为重要。径向回转精度通过误差分离的方法可有效测量，而且测量精度较高，测量方式简单，但针对轴向回转精度和角回转精度的测量方法很少。目前轴向回转精度的测量方法类似径向回转精度的测量方法，也是通过圆度标准器进行测量，但无法准确找到回转轴心，被测面引入的倾斜误差量已达到或超过轴向回转精度，所以测量精度不高；“GJB1801-93惯性技术测试设备主要性能试验方法”中关于角回转精度的测量方法是目前较有效的角回转测量方法，该方法利用光电自准直仪通过光学的方法测量。但测量精度受光电自准直仪自身精度的限制，现有光电子准直仪测量精度低于 或接近超精密主轴的角回转精度，而且测量设备和过程较复杂。超精密转台回转精度中径向回转精度测量方法较成熟，轴向回转精度和角回转精度测量方法精度有限。 

发明内容

本发明针对上述已有技术存在的轴向和角回转精度测量问题，提出一种基于二截面径向差和倾斜量提取的超精密主轴回转精度测量方法，达到提高超精密转台回转精度的测量精度，并简化测量过程的目的。 

本发明的目的是这样实现的： 

一种基于二截面径向差和倾斜量提取超精密主轴回转精度测量方法，该方法包括基于二截面径向差的角回转精度测量方法和基于倾斜量提取的超精密主轴或转台轴向回转精度测量方法： 

1)在主轴或转台轴向回转精度测量过程中： 

主轴或转台被测轴系匀速旋转，电感传感器的测头在平面平晶中心上连续等间隔采样；一圈得到2^N个采样数据；采样数据通过2RC低通滤波器或者高斯低通滤波器进行滤波消除高次谐波干扰；依据最小二乘圆评定，得到电感传感器测量点相对理想被测轴线的倾斜量；在全部数据中消除此倾斜量并计算出最大和最小值差； 

2)在主轴或转台角回转精度测量过程中： 

被测主轴或转台匀速旋转，电感传感器与圆度标准器接触并连续等间隔采样，一圈采样2^N个数据；采样数据通过2RC低通滤波器或者高斯低通滤波器进行滤波消除高次谐波干扰；依据最小二乘圆方法得到圆度标准器相对被测转台轴线的偏心量，在全部数据中消除此偏心量，并计算出最大值 和最小值差；此时径向回转精度为截面一处径向回转精度，利用垫块将圆度标准器抬高H距离，重复截面一测量过程得到第二截面处径向回转精度；利用两个截面径向回转精度和其几何关系计算得到被测转台角回转精度。 

所述圆度标准器圆度精度要高于被测主轴或转台径向回转精度一个数量级以上。 

所述圆度标准器、平面平晶和垫块放置在被测主轴或转台的中心位置。 

所述被测转台可以是单轴转台，也可以是多轴转台，且轴数≥1。 

所述垫块高度为H距离，H的尺寸范围为20mm～400mm；垫块顶面和底面的平行度为(0～15μm)；其平面度为(0～30μm)。 

所述角回转精度测量方法中依据被测转台轴线以上与轴线正交的两个截面处的径向回转精度，并通过其几何关系计算得到。 

所述采样点数为2^N中的N为大于7的整数。 

所述被测超精密主轴和转台的轴系在测量过程中连续匀速旋转，速度为6RPM～10RPM。 

所述二截面径向测量中，第二个截面径向回转精度测量过程中，电感传感器、圆度标准器、垫块和被测轴系台面之间的相对关系是：圆度标准器在垫块顶面上，电感传感器与圆度标准器接触。 

本发明的特点： 

1)基于倾斜量提取的超精密主轴或转台轴向回转精度测量方法 

传感器测量点与被测轴线不重合，转台被测台面与其轴线不垂直，这两项 因素造成的倾斜误差是超精密转台轴向回转精度测量过程中的主要误差源，也是限制传统测量方法测量精度提高的主要因素之一。基于低通滤波和最小二乘圆评定可有效分离出此倾斜量，提高轴向回转精度的测量精度。而且本发明中采用平面平晶代替圆度标准器，可自动消除标准器引入的圆度误差。所以相对于传统测量方法本发明可以大大提高转台轴向回转精度的测量精度。 

2)基于二截面径向差的角回转精度测量方法 

利用超精密转台径向回转精度测量原理，沿被测转台轴线方向对两个高度差为H的截面处的径向回转精度分别测量，并通过其几何关系计算得到角回转精度。该方法避免了传统方法对测量设备精度的依赖性，实现了超精密转台角回转精度精密测量，测量精度远远优于0.1″。 

附图说明：

图1是超精密主轴或转台回转精度示意图。图中通过简化模型说明了转台的三个回转精度分量，分别是径向回转精度Δμ、角回转精度Δθ和轴向回转精度Δδ。 

图2是超精密主轴或转台径向回转精度测量过程示意图。 

图3是超精密主轴或转台轴向回转精度测量过程示意图。 

图4是超精密主轴或转台角回转精度测量过程示意图。 

图5是角回转精度与径向回转精度几何关系示意图。 

图中件号： 

1电感传感器  2圆度标准器  3被测转台台面  4被测转台理想回转轴线  5平面平晶  6垫块  7角回转精度产生的实际转台回转轴线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明： 

1.轴向回转精度测量方法实施过程： 

如图3所示，将平面平晶5放置于被测转台台面3上，调整平面平晶中心与被测转台轴系理想回转轴线4尽量重合；采用接触式电感传感器测量，电感传感器1的测头与平面平晶中心接触；转台以6RPM～10RPM的速度匀速旋转，电感传感器在平面平晶上连续采样；转台匀速旋转一圈得到2^N个采样数据；然后将2^N个采样数据通过2RC低通滤波器或者高斯低通滤波器进行滤波消除高次谐波分量；然后利用滤波后的数据通过最小二乘圆评定得到倾斜量；滤波后的全部数据减掉此倾斜量，再求出最大值和最小值差，那么此差值为被测转台的轴向回转精度。 

2.角回转精度测量方法实施过程： 

如图4a所示，将圆度标准器2放置于被测转台台面3上，调整圆度标准器轴线与被测主轴或转台的理想回转轴线4尽量重合；采用接触式电感传感器测量，电感传感器1的测头与圆度标准器2接触；转台以6RPM～10RPM的速度匀速旋转，电感传感器在圆度标准器上连续等间隔采样。转台匀速旋转一周得到2^N个采样数据；然后将2^N个采样数据通过2RC低通滤波器或者高斯低通滤波器进行滤波消除高次谐波分量；然后利用滤波后的数据进行最小二乘圆评定得到圆度标准器2相对于理想轴线4的偏心量；全部数据减掉此偏心量求出最大值和最小值差，那么此差值为被测转台台面处的径向回转精度Δμ₁，此时测量截面为第一截面，Δμ₁为第一截面的径向回转精度。如图4b所示，利用一个垫块6将圆度标准器2抬高H距离，然后调整圆度标准器轴线与转台回转轴线尽量重合；采用接触式电感传感器测量，电感传感器1的测头与圆度标准器2接触；转台以6RPM～10RPM的速度匀速旋转，电感传感器在圆度标准器上连续等间隔 采样；转台匀速旋转一圈得到2^N个采样数据，然后将2^N个采样数据通过2RC低通滤波器或者高斯低通滤波器进行滤波消除高次谐波分量；然后利用滤波后的数据通过最小二乘圆评定得到圆度标准器2相对于理想轴线4的偏心量；全部测量数据减掉此偏心量求出最大值和最小值差，那么此差值是距被测转台台面高H处截面的径向回转精度Δμ₂，此时测量截面为第二截面，Δμ₂为第二截面的径向回转精度；如图5所示，利用第一和第二截面径向回转精度和理想轴线回转角的几何关系得Δθ，Δθ为被测转台角回转精度，计算方法如公式1所示。 

$\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_1|}{H}\right)---\left(1\right)$

Claims (5)

1.一种基于二截面径向差和倾斜量提取超精密主轴回转精度测量方法，其特征在于该方法包括基于二截面径向差的角回转精度测量方法和基于倾斜量提取的超精密主轴或转台轴向回转精度测量方法，其中：

1)在主轴或转台轴向回转精度测量过程中：

主轴或转台被测轴系匀速旋转，将平面平晶放置于被测转台台面上，调整平面平晶中心与被测转台轴系理想回转轴线尽量重合，电感传感器的测头在平面平晶中心上连续等间隔采样；一圈得到2^N个采样数据，其中N为大于7的整数；采样数据通过2RC低通滤波器或者高斯低通滤波器进行滤波消除高次谐波干扰；依据最小二乘圆评定，得到电感传感器测量点相对被测转台的理想回转轴线的倾斜量；在全部数据中消除此倾斜量并计算出最大和最小值差，那么此差值为被测转台的轴向回转精度；

2)在主轴或转台角回转精度测量过程中：

将圆度标准器放置于被测转台台面上，调整圆度标准器轴线与被测主轴或转台的理想回转轴线尽量重合；被测主轴或转台匀速旋转，电感传感器与圆度标准器接触并连续等间隔采样，一圈采样2^N个数据，其中N为大于7的整数；采样数据通过2RC低通滤波器或者高斯低通滤波器进行滤波消除高次谐波干扰；依据最小二乘圆方法得到圆度标准器相对被测转台的理想回转轴线的偏心量，在全部数据中消除此偏心量，并计算出最大值和最小值差，那么此差值为被测转台台面处的径向回转精度Δμl，此时径向回转精度Δμl为第一截面的径向回转精度；利用垫块将圆度标准器抬高H距离，H的尺寸范围为20mm～400mm，然后调整圆度标准器轴线与转台回转轴线尽量重合；被测主轴或转台匀速旋转，电感传感器与圆度标准器接触并连续等间隔采样，重复第一截面测量过程得到距被测转台台面高H处的第二截面的径向回转精度Δμ2；利用第一截面径向回转精度Δμl、第二截面径向回转精度Δμ2和理想回转轴线回转角的几何关系计算得到被测主轴或转台的角回转精度Δθ，几何关系计算方法如下式所示：

$\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{\Δ\μ}}_2-{\mathrm{\Δ\μ}}_1}{H}\right).$

2.根据权利要求1所述的基于二截面径向差和倾斜量提取超精密主轴回转

精度测量方法，其特征在于圆度标准器圆度精度要高于被测主轴或转台径向回转精度一个数量级以上。

3.根据权利要求1所述的基手二截面径向差和倾斜量提取超精密主轴回转精度测量方法，其特征在于圆度标准器、平面平晶和垫块放置在被测主轴或转台的中心位置。

4.根据权利要求1或3所述的基于二截面径向差和倾斜量提取超精密主轴回转精度测量方法，其特征在于垫块的顶面和底面的平行度指标范围为0～15μm；其平面度指标范围为0～30μm。

5.根据权利要求1所述的基于二截面径向差和倾斜量提取超精密主轴回转精度测量方法，其特征在于被测超精密主轴或转台的轴系在测量过程中连续匀速旋转，速度为6RPM～10RPM。

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