CN103344425A - 基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法 - Google Patents
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Abstract
基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，涉及静压主轴性能测试领域。本发明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的问题。本发明方法如下：在直驱式超精密静压主轴转子的上端部安装高精度标准平面作为测量基准，采用高精度位移传感器测量主轴旋转时标准平面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，从而实现超精密直驱式主轴动态性能的在线测量。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性能进行实时在线测量，不影响超精密机床的加工过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种超精密静压主轴动态性能测试方法，涉及静压主轴性能测试领域。
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，必须提高产品零部件加工的表面质量和制造精度。超精密加工机床是超精密加工领域的核心与关键，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。
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问题，提供了一种超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，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安装高精度标准平面作为测量基准，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高精度标准平面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性能的在线测量；所述测试方法的具体实现过程为：步骤一、安装测量基准平面：将高精度标准平面安装在超精密直驱式静压主轴的输入端部件的上端面上，安装时将高精度标准平面的下表面与安装基准面充分接触，调整完成后在高精度标准平面圆周与安装基准结合部位用胶将其固定；步骤二、安装高精度位移传感器：首先将龙门支架固定在机床横梁支撑板(机床横梁盖板)上，其次通过龙门支架上的安装孔装入高精度位移传感器；步骤三、调节测量初始间隙：缓缓转动超精密直驱式静压主轴，调整高精度位移传感器与高精度标准平面的初始间隙，使超精密直驱式静压主轴旋转时高精度位移传感器与高精度标准平面的间隙控制在高精度位移传感器的测量量程范围内；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与高精度标准平面间的距离变化情况，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性能在线测试操作。
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，同时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。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。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性能在线测量。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性能进行实时在线测量，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(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；测量系统由安装在超精密直驱式静压主轴上端部的基准平面2和高精度位移传感器1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安装在龙门支架3上，采用龙门支架可以提高支撑刚度，避免由于支架变形对测量结果精度造成影响；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部，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性能进行测量；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性能对工件加工表面质量的影响分析；
一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线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10的上端面安装高精度标准平面2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高精度标准平面2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性能的在线测量；所述测试方法的具体实现过程为：步骤一、安装测量基准平面：将高精度标准平面2安装在超精密直驱式静压主轴的输入端部件10的上端面上，安装时将高精度标准平面2的下表面与安装基准面充分接触，调整完成后在高精度标准平面2圆周与安装基准结合部位用胶将其固定；步骤二、安装高精度位移传感器1：首先将龙门支架3固定在机床横梁支撑板(机床横梁盖板)11上，其次通过龙门支架3上的安装孔装入高精度位移传感器1；步骤三、调节测量初始间隙：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与高精度标准平面2的初始间隙，使超精密直驱式静压主轴旋转时高精度位移传感器1与高精度标准平面2的间隙控制在高精度位移传感器1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与高精度标准平面2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性能在线测试操作。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的标准平面2为光学平晶，面形精度PV值优于λ/20(其中λ＝0.633μm)，表面粗糙度RMS值优于2nm。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，本实施方式的高精度标准平面2表面经过镀膜处理，所镀膜为金属膜，所镀金属为金、银、铜或镍。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：本实施方式的高精度标准平面2表面经过镀膜处理，镀膜采用真空蒸镀的方式，使金属膜在光学平晶表面分布均匀，镀膜过程不影响标准平面的面形精度和表面粗糙度，不会造成光学平晶表面损伤。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
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，以实现超精密主轴动态性能的高精度测量。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，本实施方式中，所述立式超精密直驱式静压主轴系统的驱动电机(直驱式主轴电机)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固连，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，本实施方式中，所述立式超精密直驱式静压主轴系统的驱动电机(直驱式主轴电机)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固连，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。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述超精密直驱式静压主轴为空气静压或液体静压超精密主轴。其它步骤与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
Claims (7)
1.一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，其特征在于：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(10)的上端面安装高精度标准平面(2)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高精度标准平面(2)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性能的在线测量；所述测试方法的具体实现过程为：步骤一、安装测量基准平面：将高精度标准平面(2)安装在超精密直驱式静压主轴的输入端部件(10)的上端面上，安装时将高精度标准平面(2)的下表面与安装基准面充分接触，调整完成后在高精度标准平面(2)圆周与安装基准结合部位用胶将其固定；步骤二、安装高精度位移传感器(1)：首先将龙门支架(3)固定在机床横梁支撑板(11)上，其次通过龙门支架(3)上的安装孔装入高精度位移传感器(1)；步骤三、调节测量初始间隙：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)与高精度标准平面(2)的初始间隙，使超精密直驱式静压主轴旋转时高精度位移传感器(1)与高精度标准平面(2)的间隙控制在高精度位移传感器(1)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)与高精度标准平面(2)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性能在线测试操作。
2.根据权利要求1所述的一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，其特征在于：所述高精度标准平面(2)为光学平晶，面形精度PV值优于λ/20，其中λ＝0.633μm，表面粗糙度RMS值优于2nm。
3.根据权利要求2所述的一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，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所述的一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，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所述的一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，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所述的一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，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、2、3、4、5或6所述的一种基准平面式超精密直驱式静压主轴动态性能在线测试方法，其特征在于：步骤三中的测量初始间隙为15-30μm。
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