CN103341788B - 消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法 - Google Patents

Abstract

消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，涉及静压主轴动态特性检测领域。解决了现有方法不能实现超精密静压主轴动态特性在线检测或现有方法测量基准面的安装精度对测量结果影响较为严重的问题。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，采用两个高精度位移传感器测量主轴旋转时标准球与两个高精度位移传感器之间的位移变化，通过传感器信号放大与数据采集系统将测得的位移变化量转换成数字信号后送入计算机进行数据分析与处理，实现超精密直驱式静压主轴动态特性的在线测量，由于采用两通道同时测量，同时实现主轴的轴向窜动和径向偏摆特性的检测。

Description

消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种超精密静压主轴动态特性检测方法，涉及静压主轴动态特性检测领域。

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晶体最终加工的主要手段。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，超精密主轴的动态性能直接影响到被加工零件的表面质量和制造精度。如何实现超精密主轴动态性能的在线测量是目前噬待解决的巨大难题。现有技术主要是基于静态测试的方法实现对超精密主轴性能的测量，该方法不能反应超精密主轴在实际工作过程中的真实状态和动态性能，即使采用特殊方法能够实现超精密静压主轴的动态性能的在线测量，但测量基准面的安装精度对测量结果的影响较为严重。

发明内容

本发明的目的是为解决现有方法不能实现超精密静压主轴动态性能在线测试或现有方法测量基准面的安装精度对测量结果影响较为严重的问题，提供了一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，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，所述检测方法在直驱式超精密静压主轴的输入端部件的上端面加工锥形安装基准面，将检测杆上端的标准球直接安装在锥形基准面上作为测量基准，采用两个高精度位移传感器测量直驱式超精密静压主轴旋转时标准球与两个高精度位移传感器之间的位移变化，通过传感器信号放大与数据采集系统将测得的位移变化量转换成数字信号后送入计算机数据采集和处理系统进行数据分析与处理，从而实现超精密直驱式主轴动态特性的在线测量，由于采用两通道同时测量，可以同时实现主轴的轴向窜动和径向偏摆特性的检测。

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：测量基准安装在主轴的后端部，测量分析可以在加工过程中实时进行，不影响超精密机床的加工过程，测量结果能反映超精密主轴实际工作中的真实状态和动态性能，由于采用两通道同时测量，一路传感器安装在主轴的轴向，另一路安装在主轴的径向，可以同时实现主轴的轴向窜动和径向偏摆特性的检测。在测量中采用非接触高精度位移传感器不会对主轴的运行状态造成影响。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，测量结果准确可靠，测量精度高，可以实现对纳米级精度直驱式超精密静压主轴的动态特性的在线测量。

本发明由于采用两通道同时测量(采用高精度位移传感器)，可以同时实现主轴的轴向窜动和径向偏摆特性的检测，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。本发明可以实现对处于实际加工状态下的超精密静压主轴的动态特性进行实时在线测量，不影响超精密机床的加工过程。

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、测量系统以及计算机数据采集和处理系统22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或直驱式超精密静压主轴转子(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、微进给刀架17和金刚石刀具18；超精密直驱式静压主轴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；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和3以及传感器信号放大与数据采集系统21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。高精度位移传感器1和3安装在传感器支架2上。计算机数据采集和处理系统22实现测量数据的分析与处理操作。超精密机床的加工过程通过安装在主轴下止推盘15上的微进给刀架17上的金刚石刀具实现对工件19的加工，工件19安装在位于主轴下方的水平工作台上的真空吸盘20上。由于测量系统位于机床主轴系统的后端，而机床的加工过程是在主轴的下端部进行，两者相互独立，互不影响，可以实现在加工的同时对主轴的动态特性进行测量。同时可以将测量结果和工件加工表面质量检测结果相互对照，方便地实现主轴动态特性对工件加工表面质量的影响分析。

所述消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法是基于立式超精密直驱式静压主轴系统来进行的，所述检测方法是在直驱式超精密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，将检测杆4-1上端的标准球4直接安装在锥形基准面5上作为测量基准，采用两个高精度位移传感器1和3测量直驱式超精密静压主轴旋转时标准球4与两个高精度位移传感器1和3之间的位移变化，通过传感器信号放大与数据采集系统21将测得的位移变化量转换成数字信号后送入计算机数据采集和处理系统22进行数据分析与处理，从而实现超精密直驱式主轴动态特性的在线测量，由于采用两通道同时测量，可以同时实现主轴的轴向窜动和径向偏摆特性的检测。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法的具体实现过程为：步骤一、安装测量基准：将标准球4安装在静压主轴系统后端部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直驱式超精密静压主轴的输入端部件10(中空主轴)的内部；步骤二、安装高精度位移传感器：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上的安装孔装入两个高精度位移传感器1和3，其中一个高精度位移传感器1的安装位置与基准球4的水平轴线一致，另一个高精度位移传感器1的安装位置与基准球4的垂直轴线一致；步骤三、调节测量初始间隙：用手缓缓转动直驱式超精密静压主轴(主轴)，调整高精度位移传感器1和3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和3与测量基准球4之间的间隙控制在高精度位移传感器1和3的测量量程范围内；步骤四、测量：运行立式超精密直驱式静压主轴系统(超精密机床)，开启数据采集系统，实时采集高精度位移传感器1和3与测量基准球之间的距离变化情况，将数据存入计算机以备处理与分析，从而完成超精密静压主轴的动态特性在线检测操作。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

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和3为电容传感器，传感器分辨率优于1nm，以实现超精密主轴动态特性的高精度测量。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)

1.一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，所述检测方法是基于立式超精密直驱式静压主轴系统来进行的，所述检测方法在直驱式超精密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)，将检测杆(4-1)上端的标准球(4)直接安装在锥形基准面(5)上作为测量基准，采用两个高精度位移传感器(1，3)测量直驱式超精密静压主轴旋转时标准球(4)与两个高精度位移传感器(1，3)之间的位移变化，通过传感器信号放大与数据采集系统(21)将测得的位移变化量转换成数字信号后送入计算机数据采集和处理系统(22)进行数据分析与处理，从而实现超精密直驱式主轴动态特性的在线测量；

其特征在于：所述检测方法的具体实现过程为：步骤一、安装测量基准：将标准球(4)安装在静压主轴系统后端部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直驱式超精密静压主轴的输入端部件(10)的内部；步骤二、安装高精度位移传感器：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)上的安装孔装入两个高精度位移传感器(1，3)，其中一个高精度位移传感器(1)的安装位置与基准球(4)的水平轴线一致，另一个高精度位移传感器(3)的安装位置与基准球(4)的垂直轴线一致；步骤三、调节测量初始间隙：用手缓缓转动直驱式超精密静压主轴，调整高精度位移传感器(1，3)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(1，3)与测量基准球(4)之间的间隙控制在高精度位移传感器(1，3)的测量量程范围内；步骤四、测量：运行立式超精密直驱式静压主轴系统，开启数据采集系统，实时采集高精度位移传感器(1，3)与测量基准球之间的距离变化情况，将数据存入计算机以备处理与分析，从而完成超精密静压主轴的动态特性在线检测操作。

2.根据权利要求1所述的一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，其特征在于：所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。

4.根据权利要求1所述的一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，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所述的一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，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所述的一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，其特征在于：所述直驱式超精密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、2、3、4、5或6所述的一种消除测量基准安装误差的超精密静压主轴动态特性在线检测方法，其特征在于：步骤三中的测量初始间隙为15-30μm。