CN103335783B - 一种超精密直驱式静压主轴动平衡方法 - Google Patents

Abstract

一种超精密直驱式静压主轴动平衡方法，它涉及一种静压主轴动平衡方法。为解决现有方法不能实现超精密静压主轴转子的精密动平衡问题。在直驱式超精密静压主轴转子的后端加工锥形安装基准面，将标准球直接安装在锥形基准面上作为测量基准，采用高精度位移传感器测量主轴旋转时标准球与高精度位移传感器之间的位移变化，通过传感器信号放大器放大成0-10V的信号后输入动平衡仪，同时将光电测速仪测得的主轴转速信息输入动平衡仪，通过动平衡仪对所测得的信息进行处理得到转子不平衡质量和相位，在动平衡盘上根据动平衡仪指示的相位加入所需的平衡质量块。保证了主轴旋转中心同测量基准球的旋转中心能够很好重合，消除了安装误差对测量结果造成的影响。

Description

一种超精密直驱式静压主轴动平衡方法

技术领域

本发明涉及一种超精密静压主轴动平衡方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，特别是航空、航天、国防、军工等尖端科学技术的突飞猛进，这些产业对产品的稳定性和使用性能的要求越来越高，比较典型的就是在激光核聚变系统广泛使用的KDP晶体器件，该晶体由于具有软、脆、易潮解等特性，传统的磨抛等光学加工方法不能用于大口径KDP晶体的加工，目前单点金刚石飞刀切削加工是实现KDP晶体最终加工主要手段。切削加工是一种复制式加工，超精密机床的精度决定了零件的加工精度。因此，超精密加工机床是KDP晶体超精密加工的核心与关键，其中超精密主轴是超精密机床的核心部件，超精密静压主轴动平衡的好坏直接影响到超精密主轴的动态性能，同时影响到被加工零件的表面质量和制造精度。由于超精密主轴采用的是空气或液体静压轴承，且其旋转速度较低，如何对超精密低速静压主轴进行精密动平衡是目前噬待解决的巨大难题。现有技术通过测量旋转主轴轴承基座的振动特性来实现主轴动平衡的方法难以获得较好的效果，因为超精密静压主轴转子与定子之间是通过压缩空气或液压油作为工作间质，转子的不平衡特性通过工作介质后会产生较大的衰减，因此现有方法难以实现超精密主轴转子的精密动平衡。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法不能实现超精密静压主轴转子的精密动平衡问题，提供了一种超精密直驱式静压主轴转子动平衡方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种超精密直驱式静压主轴动平衡方法，所述测试方法是基于立式超精密直驱式静压主轴系统来进行的，在超精密直驱式静压主轴的输入端部件的上端面加工锥形安装基准面，检测杆一端为标准球，将标准球直接安装在锥形基准面上作为测量基准，采用高精度位移传感器测量超精密直驱式静压主轴旋转时标准球与高精度位移传感器之间的位移变化，通过传感器信号放大器放大成0-10V的信号后输入动平衡仪，同时将光电测速仪测得的超精密直驱式静压主轴转速信息输入动平衡仪，通过动平衡仪对所测得的信息进行处理得到转子不平衡质量和相位，在专用动平衡盘上根据动平衡仪指示的相位加入所需的平衡质量块，从而实现超精密直驱式主轴转子的动平衡操作。

上述标准球经过研磨抛光处理，材料为特种不锈钢，抛光后的面形精度PV值优于λ/20(其中λ＝0.633μm)，表面粗糙度优于2nm；上述高精度位移传感器为高分辨率电容传感器，其位移分辨率优于1nm；上述直驱式静压主轴电机的转子与主轴的转子直接相连，中间没有联轴接等柔性环节，所述静压主轴为空气静压或液体静压超精密主轴。

本发明的优点在于：采用标准球4作为测量基准对超精密静压主轴转子的不平衡特性进行直接测量，测量信息不会因为受工作介质的隔离作用而产生衰减。测量获得的信息为超精密主轴转子的实际动态特性，采用该信号能够实现超精密转子的精密动平衡操作。由于测量基准球4通过检测杆4-1后端的螺纹固定于中空主轴的内部台阶上，测量基准球与安装锥面具有自定心特性，保证了主轴旋转中心同测量基准球的旋转中心能够很好重合，消除了安装误差对测量结果造成的影响。该方法简单易行，动平衡结果准确可靠，平衡精度高，可以实现对纳米级精度直驱式超精密静压主轴的精密动平衡。

本发明由于采用标准球作为测量基准对超精密静压主轴转子的不平衡特性进行直接测量，测量信息不会因为受工作介质的隔离作用而产生衰减。测量获得的信息为超精密主轴转子的实际动态特性，采用该信号能够实现超精密转子的精密动平衡操作。由于测量基准球通过检测杆后端的螺纹固定于中空主轴的内部台阶上，测量基准球与安装锥面具有自定心特性，保证了主轴旋转中心同测量基准球的旋转中心能够很好重合，消除了安装误差对测量结果造成的影响。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述在线测试方法是基于包括立式超精密直驱式静压主轴系统、测量系统以及动平衡仪52来实现的；

立式超精密直驱式静压主轴系统包括伺服电机、超精密直驱式静压主轴(转动部件，即转子部分)、机床横梁支撑板(机床横梁盖板)11、主轴轴套14(定子部分)、机床横梁16和微进给刀架17；超精密直驱式静压主轴转子由从上至下依次同轴设置的输入端部件10、上止推盘12、轴心13、下止推盘15固接构成；伺服电机包括电机定子7、电机转子9和机壳8；动平衡源信号测量系统由安装在静压主轴后端的测量基准球4和高精度位移传感器1以及传感器信号放大器51组成；

电机定子7通过机壳8与机床横梁盖板11相连，横梁盖板11直接固连在机床横梁16上，从而实现电机定子的安装与固定。电机转子9直接安装在静压主轴的转动部件上，从而实现对静压主轴的直接驱动，主轴的转动部件包括上止推盘12和下止推盘15以及中空的轴心13、输入端部件10几个部分，这几部分通过螺栓实现固定和联接，在设计、制造以及安装过程中保证主轴转动部件各部分的轴线严格同轴，以提高轴的旋转精度。主轴轴套14(定子部分)通过螺栓直接固定在机床横梁16上。主轴轴套和转动部件之间通入压缩空气或压力油以实现近零摩擦传动。动平衡源信号测量系统由安装在静压主轴后端的测量基准球4和高精度位移传感器1以及传感器信号放大器组成，高精度位移传感器1安装在传感器支架2上，主轴转速测量通过光电测速仪40完成，光电测速仪40通过支架50以及磁性底座固定在主轴定子14上。动平衡仪52完成超精密静压主轴转子不平衡质量和相位的计算与处理操作。

所述超精密直驱式静压主轴动平衡方法是基于立式超精密直驱式静压主轴系统来进行的，在超精密直驱式静压主轴的输入端部件10的上端面加工锥形安装基准面5，检测杆4-1一端为标准球4，将标准球4直接安装在锥形基准面5上作为测量基准，采用高精度位移传感器1测量超精密直驱式静压主轴旋转时标准球4与高精度位移传感器1之间的位移变化，通过传感器信号放大器51放大成0-10V的信号后输入动平衡仪52，同时将光电测速仪40测得的超精密直驱式静压主轴转速信息输入动平衡仪，通过动平衡仪对所测得的信息进行处理得到转子不平衡质量和相位，在专用动平衡盘30上根据动平衡仪指示的相位加入所需的平衡质量块，从而实现超精密直驱式主轴转子的动平衡操作。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，所述动平衡方法的具体实现过程为：步骤一、安装测量基准：将检测杆4-1上端的标准球4安装在超精密直驱式静压主轴的输入端部件10上端面加工的锥形安装基准面5内，检测杆4-1的下端通过螺母固定在中空的输入端部件10内部；步骤二、安装高精度位移传感器1和光电测速仪40：首先将高精度位移传感器支架2固定在电机定子的外壳上，其次通过支架2上的安装孔装入高精度位移传感器1，同时将光电测速仪40安装在测速仪支架50上，测速仪支架50通过磁性底座吸附在主轴定子上，在主轴转子上贴附反光条；步骤三、调节高精度位移传感器1测量初始间隙和光电测速仪40的位置：用手缓缓转动超精密直驱式静压主轴，调整高精度位移传感器1与测量基准球4的初始间隙，使主轴旋转时高精度位移传感器1与测量基准球4之间的间隙控制在高精度位移传感器1的测量量程范围内，同时调整光电测速仪40位置，使光电转速仪对准反光条通过的位置上；步骤四、将高精度位移传感器1和光电转速仪40连接到动平衡仪52上；步骤五、动平衡操作：首先，在专用动平衡盘30上加装动平衡试探质量块，运行超精密静压主轴，开启光电转速仪40和动平衡仪52；其次，利用动平衡仪52采集数据并进行计算与处理，输出不平衡质量和相位；最后，停止超精密静压主轴，卸下试探质量块，根据动平衡仪指示的相位在专用动平衡盘30上加装平衡质量块；步骤六、验证：再次运行超精密静压主轴，开启动平衡仪52采集数据并进行计算与处理，验证主轴动平衡是否满足要求，若不满足要求，根据动平衡仪指示的相位加装所需平衡质量块，再次进行验证，重复步骤六操作，直到超精密静压主轴动平衡满足要求为止，从而完成超精密静压主轴的精密动平衡操作。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

所述超精密直驱式静压主轴(超精密静压主轴转子)可采用中空型式，便于安装测量基准。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的标准球经过研磨抛光处理，材料为特种不锈钢，抛光后的面形精度PV值优于λ/20(其中λ＝0.633μm)，表面粗糙度优于2nm。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的测量基准球4通过检测杆4-1后端的螺纹固定于中空主轴的内部台阶上，测量基准球与安装锥面具有自定心特性，保证了主轴旋转中心同测量基准球的旋转中心能够很好重合，消除了安装误差对测量结果造成的影响。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的高精度位移传感器1为电容传感器，传感器分辨率优于1nm，以实现超精密主轴转子的实际动态特性的精密检测。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的驱动电机为高精度交流永磁无刷电机，电机转子直接与静压主轴系统的转动部分相连，中间没有柔性联接单元，以提高静压主轴系统的旋转精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的驱动电机为高精度直流永磁无刷电机，电机转子直接与静压主轴系统的转动部分相连，中间没有柔性联接单元，以提高静压主轴系统的旋转精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中的测量初始间隙为15-30μm。其它步骤与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

Claims (7)

1.一种超精密直驱式静压主轴动平衡方法，所述动平衡方法是基于立式超精密直驱式静压主轴系统来进行的，在超精密直驱式静压主轴的输入端部件(10)的上端面加工锥形安装基准面(5)，检测杆(4-1)一端为标准球(4)，将标准球(4)直接安装在锥形安装基准面(5)上作为测量基准，采用高精度位移传感器(1)测量超精密直驱式静压主轴旋转时标准球(4)与高精度位移传感器(1)之间的位移变化，通过传感器信号放大器(51)放大成0-10V的信号后输入动平衡仪(52)，同时将光电测速仪(40)测得的超精密直驱式静压主轴转速信息输入动平衡仪，通过动平衡仪对所测得的信息进行处理得到转子不平衡质量和相位，在专用动平衡盘(30)上根据动平衡仪指示的相位加入所需的平衡质量块，从而实现超精密直驱式主轴转子的动平衡操作；所述标准球(4)经过研磨抛光处理，材料为特种不锈钢，抛光后的面形精度PV值优于λ/20，其中λ＝0.633μm，表面粗糙度优于2nm；

其特征在于：所述动平衡方法的具体实现过程为：步骤一、安装测量基准：将检测杆(4-1)上端的标准球(4)安装在超精密直驱式静压主轴的输入端部件(10)上端面加工的锥形安装基准面(5)内，检测杆(4-1)的下端通过螺母固定在中空的输入端部件(10)内部；步骤二、安装高精度位移传感器(1)和光电测速仪(40)：首先将高精度位移传感器支架(2)固定在电机定子的外壳上，其次通过高精度位移传感器支架(2)上的安装孔装入高精度位移传感器(1)，同时将光电测速仪(40)安装在测速仪支架(50)上，测速仪支架(50)通过磁性底座吸附在主轴定子上，在主轴转子上贴附反光条；步骤三、调节高精度位移传感器(1)测量初始间隙和光电测速仪(40)的位置：用手缓缓转动超精密直驱式静压主轴，调整高精度位移传感器(1)与标准球(4)的初始间隙，使主轴旋转时高精度位移传感器(1)与标准球(4)之间的初始间隙控制在高精度位移传感器(1)的测量量程范围内，同时调整光电测速仪(40)位置，使光电测速仪对准反光条通过的位置上；步骤四、将高精度位移传感器(1)和光电测速仪(40)连接到动平衡仪(52)上；步骤五、动平衡操作：首先，在专用动平衡盘(30)上加装动平衡试探质量块，运行超精密直驱式静压主轴，开启光电测速仪(40)和动平衡仪(52)；其次，利用动平衡仪(52)采集数据并进行计算与处理，输出不平衡质量和相位；最后，停止超精密直驱式静压主轴，卸下试探质量块，根据动平衡仪指示的相位在专用动平衡盘(30)上加装平衡质量块；步骤六、验证：再次运行超精密直驱式静压主轴，开启动平衡仪(52)采集数据并进行计算与处理，验证主轴动平衡是否满足要求，若不满足要求，根据动平衡仪指示的相位加装所需平衡质量块，再次进行验证，重复步骤六操作，直到超精密直驱式静压主轴动平衡满足要求为止，从而完成超精密直驱式静压主轴的精密动平衡操作。

2.根据权利要求1所述的超精密直驱式静压主轴动平衡方法，其特征在于：所述超精密直驱式静压主轴采用中空型式，便于安装标准球(4)。

3.根据权利要求1所述的超精密直驱式静压主轴动平衡方法，其特征在于：所述高精度位移传感器(1)为高分辨率电容传感器，其位移分辨率优于1nm。

4.根据权利要求1所述的超精密直驱式静压主轴动平衡方法，其特征在于：所述立式超精密直驱式静压主轴系统的直驱式主轴电机为交流永磁无刷电机，电机转子同静压主轴转动部分直接固连，中间无柔性联接环节。

5.根据权利要求1所述的超精密直驱式静压主轴动平衡方法，其特征在于：所述立式超精密直驱式静压主轴系统的直驱式主轴电机为直流永磁无刷电机，电机转子同静压主轴转动部分直接固连，中间无柔性联接环节。

6.根据权利要求1所述的超精密直驱式静压主轴动平衡方法，其特征在于：所述超精密直驱式静压主轴系统为空气静压或液体静压超精密主轴系统。

7.根据权利要求1所述的超精密直驱式静压主轴动平衡方法，其特征在于：步骤三中的测量初始间隙为15-30μm。