CN103759941A - 一种精密主轴回转精度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种精密主轴回转精度检测装置及方法，属于精密主轴回转误差测量技术领域。本发明所述的装置包括原子力显微镜AFM、平面样品、手动二维调整台、二维电动位移台和精密主轴控制器，其中，AFM与平面样品配合使用获得刻划形貌图，平面样品固定在手动二维调整台的上部，手动二维调整台的底部与被测精密主轴的上端连接，被测精密主轴的下端与二维电动位移台连接。本发明实施例将通过原子力显微镜的纳米刻划加工和检测一体化的优势，在检测过程中无需采用基准零件，操作简单，并且可以使测量精度达到纳米量级，同时可检测精密主轴的径向和轴向回转误差，提高了精密主轴回转误差的精度。

Description

一种精密主轴回转精度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种精密主轴回转精度检测装置及方法，属于精密主轴回转误差测量技术领域。

背景技术

随着超精密加工技术和纳米技术的发展，产品制造精度的提高，对于机床加工精度的要求越来越高，机床主轴回转精度的检测是机床设计、制造、调整和维修的重要环节，是提高机床加工精度的重要措施。主轴回转误差即为主轴的瞬时回转轴线相对于平均轴线的位移，主轴回转误差可以大致分为轴向端面跳动和径向回转误差两种基本形式，主轴回转精度是工件或刀具的位置基准和运动基准，它的误差将直接影响工件的加工精度。

目前对主轴的精度进行检测的方法主要有打表测量法、单向测量法和双向测量法。其中打表测量法由于引入锥孔的偏心误差，导致无法获得主轴在工转状态下的回转误差，更不能用于精密主轴回转精度的测量；单向测量法和双向测量法由于混入了基准球的形状误差影响了测量结果的精确性。由此可知，现有的主轴精度检测的方法中，要获得纳米级精度的主轴回转误差依然存在较大困难，所需要的装置和调整过程都较为复杂。

发明内容

本发明提供了一种精密主轴回转精度检测装置及方法，以解决现有技术中精密主轴回转误差的精度不高的问题，为此本发明采用如下的技术方案：

一种精密主轴回转精度检测装置，包括原子力显微镜AFM、平面样品、手动二维调整台、二维电动位移台和精密主轴控制器，其中，AFM与平面样品配合使用获得刻划形貌图，平面样品固定在手动二维调整台的上部，手动二维调整台的底部与被测精密主轴的一端连接，被测精密主轴的另一端与二维电动位移台连接，精密主轴控制器用于控制被测精密主轴的旋转。

基于上述检测装置实现的一种精密主轴回转精度检测方法，包括：

在平面样品的表面做标记，通过手动二维调整台调整平面样品的位置使得平面样品的标记与被测精密主轴的回转中心重合；

将AFM的AFM微探针与平面样品的标记重合，设置AFM为接触模式时，将AFM微探针的针尖扫描范围设置为零，通过精密主轴控制器控制所述被测精密主轴旋转一周后，使AFM微探针以预定载荷压入平面样品的表面；

将AFM微探针抬起，设置AFM为轻敲模式时，扫描平面样品的刻划加工区域形成刻划加工的表面形貌图，将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆度误差作为所述被测精密主轴的径向回转误差；

将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆心作为所述被测精密主轴的回转中心，调整二维电动位移台使得所述被测精密主轴的回转中心与AFM微探针重合，设置AFM为接触模式时，将AFM微探针的针尖扫描范围设置为零，通过精密主轴控制器控制所述被测精密主轴匀速旋转，三维扫描导管的Z向高度变化为所述被测精密主轴的轴向回转误差。

本发明实施方式提供的技术方案将通过原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope）的纳米刻划加工和检测一体化的优势，在检测过程中无需采用基准零件，操作简单，并且可以使测量精度达到纳米量级，同时可检测精密主轴的径向和轴向回转误差，提高了精密主轴回转误差的精度。

 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的一种精密主轴回转精度检测装置的结构示意图；

图2是本发明所述的一种精密主轴回转精度检测装置的进一步具体结构示意图。

 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式提供的一种精密主轴回转精度检测装置，如图1所示，包括：

原子力显微镜AFM1、平面样品2、手动二维调整台3、二维电动位移台5和精密主轴控制器6，其中，AFM与平面样品2配合使用获得刻划形貌图，平面样品2固定在手动二维调整台3的上部，手动二维调整台3的底部与被测精密主轴4的上端连接，被测精密主轴4的下端与二维电动位移台5连接。

如图2所示，进一步上述装置还可以包括精密主轴控制器6、二维电动位移台控制器7和控制计算机8，其中，所述精密主轴控制器6与所述被测精密主轴4的侧端相连，所述精密主轴控制器6用于控制被测精密主轴4的旋转，二维电动位移台控制器7与所述二维电动位移台5相连，控制计算机8与所述精密主轴控制器6相连。具体地，原子力显微镜AFM1包括AFM微探针11、三维扫描导管12、AFM控制器13和控制电脑14且依次连接。

本发明实施例还提供了一种精密主轴回转精度检测方法，包括：

步骤1、在平面样品2的表面做标记，通过手动二维调整台3调整平面样品2的位置使得平面样品2的标记与被测精密主轴4的回转中心重合；

步骤2、将AFM1的AFM微探针11与平面样品2的标记重合，设置AFM1为接触模式时，将AFM微探针11的针尖扫描范围设置为零，通过精密主轴控制器6控制所述被测精密主轴4旋转一周后，使AFM微探针11以预定载荷压入平面样品2的表面；

步骤3、将AFM微探针11抬起，设置AFM1为轻敲模式时，扫描平面样品2的刻划加工区域形成刻划加工的表面形貌图，将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆度误差作为所述被测精密主轴4的径向回转误差；

步骤4、将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆心作为所述被测精密主轴4的回转中心，调整二维电动位移台5使得所述被测精密主轴4的回转中心与AFM微探针11重合，设置AFM1为接触模式时，将AFM微探针11的针尖扫描范围设置为零，通过精密主轴控制器6控制所述被测精密主轴4匀速旋转，三维扫描导管12的Z向高度变化为所述被测精密主轴4的轴向回转误差。

作为可选的，二维电动位移台控制器7用来调整所述二维电动位移台5的位置，通过控制计算机8实现所述精密主轴控制器6对所述被测精密主轴4的旋转速度和旋转周数的控制。

举例说明本发明实施例精密主轴回转精度检测装置具体进行检测的过程，包括：

第一、将被测精密主轴4的回转中心和AFM微探针11的针尖相对位置调整到AFM1的检测范围内（一般为5-100微米）该AFM1的检测范围可以根据被测主轴的回转精度来确定，将平面样品2安装在手动二维调整台3上，手动二维调整台3安装在被测精密主轴4的上端，在平面样品2表面上做好标记，调整平面样品2的位置，使所做标记在被测精密主轴4的回转中心附近或重合，将AFM微探针11调节到所作标记附近或重合。

第二、将AFM 1的模式设置为接触模式，并AFM微探针11的针尖的扫描范围设置为零，使AFM微探针11以一定载荷压入平面样品2的表面，通过精密主轴控制器6控制被测精密主轴4旋转一周，完成纳米刻划加工过程。

第三、将AFM微探针11抬起，改变AFM1的模式为轻敲模式，扫描所刻划加工的区域，得到纳米刻划加工的表面形貌图（为圆形刻划痕迹图像）。

作为可选的，若刻划的圆形轨迹超出AFM扫描测量范围，则说明AFM微探针11的针尖位置偏离被测精密主轴4回转中心位置较远，此时可通过调整二维电动位移台5，使得被测精密主轴4的回转中心与AFM微探针11的针尖位置尽可能接近或重合，从而保证所刻划的圆形轨迹的直径不超过AFM1的检测范围。

第四、通过二维电动位移台控制器7调整二维电动位移台5，使被测精密主轴4相对于AFM微探针11的针尖偏移一个小距离（一般为十微米左右），调整手动二维调整台3，使微探针11的针尖下为平面样品2未被刻划区域；通过控制电脑14将AFM1的模式设置为接触模式，同时扫描范围设置成零，微探针11的针尖以一定载荷压入平面样品2的表面；通过控制计算机8实现所述精密主轴控制器6对被测精密主轴4旋转一周后抬起微探针11，调整AFM1的模式为轻敲模式，扫描所加工区域，得到刻划表面形貌图。

第五、获得被测精密主轴4的径向回转精度：如果表面形貌图像上的圆轨迹为理想的圆，那么精密主轴的径向回转误差为零；当然实际上的圆轨迹会存在一定的圆度误差，此圆度误差就是精密主轴的径向回转误差数据。具体地，从表面形貌图像上，可以利用灰度图法提取纳米刻划加工沟槽的最深处（沟槽底位置）来提取圆轨迹，进而获得精密主轴的径向回转误差数据曲线。

第六、获得被测精密主轴4的轴向回转精度：将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆心作为所述被测精密主轴4的回转中心，按照所述被测精密主轴4的回转中心的位置坐标调整二维电动位移台5移动相应的位置量，使得微探针11的针尖与被测精密主轴4的回转中心重合，将AFM1的模式设置成接触模式，扫描范围设置为零，微探针11的针尖以很小的力（一般为90-900纳牛）接触到平面样品2的表面，控制被测精密主轴4以一定速度匀速旋转，利用AFM1采集三维扫描导管12的Z向高度变化，此结果即是精密主轴的轴向回转误差数据。

本发明实施例利用原子力显微镜AFM的加工检测一体化的优势，首先启动精密主轴回转，使用AFM对平面样品进行纳米刻划加工，之后使用AFM的三维形貌检测功能获得纳米加工后的表面形貌图，通过提取该表面形貌图的圆轨迹图像获得精密主轴径向和轴向回转误差数据，从而实现对精密主轴回转误差数据的综合测量，测量方法简单，平面样品廉价且容易获得，在检测过程中无需采用标准球等基准零件，也无需复杂的测试系统，操作简单，并且可以使测量精度达到纳米量级，同时可检测精密主轴的径向和轴向回转误差，提高了精密主轴回转误差的精度。

 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，包括原子力显微镜AFM（1）、平面样品（2）、手动二维调整台（3）、二维电动位移台（5）和精密主轴控制器（6），其中，AFM与平面样品（2）配合使用获得刻划形貌图，平面样品（2）固定在手动二维调整台（3）的上部，手动二维调整台（3）的底部与被测精密主轴（4）的上端连接，被测精密主轴（4）的下端与二维电动位移台（5）连接。

2.根据权利要求1所述的精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，还包括精密主轴控制器（6），所述精密主轴控制器（6）与所述被测精密主轴（4）的侧端相连，所述精密主轴控制器（6）用于控制被测精密主轴（4）的旋转。

3.根据权利要求1所述的精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，所述原子力显微镜AFM（1）包括AFM微探针（11）、三维扫描导管（12）、AFM控制器（13）和控制电脑（14）且依次连接。

4.根据权利要求1所述的精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，还包括二维电动位移台控制器（7）与所述二维电动位移台（5）相连。

5. 根据权利要求2所述的精密主轴回转精度检测装置，其特征在于，还包括控制计算机（8）与所述精密主轴控制器（6）相连。

6.一种精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，包括：

在平面样品（2）的表面做标记，通过手动二维调整台（3）调整平面样品（2）的位置使得平面样品（2）的标记与被测精密主轴（4）的回转中心重合；

将AFM（1）的AFM微探针（11）与平面样品（2）的标记重合，设置AFM（1）为接触模式时，将AFM微探针（11）的针尖扫描范围设置为零，通过精密主轴控制器（6）控制所述被测精密主轴（4）旋转一周后，使AFM微探针（11）以预定载荷压入平面样品（2）的表面；

将AFM微探针（11）抬起，设置AFM（1）为轻敲模式时，扫描平面样品（2）的刻划加工区域形成刻划加工的表面形貌图，将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆度误差作为所述被测精密主轴（4）的径向回转误差；

将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆心作为所述被测精密主轴（4）的回转中心，调整二维电动位移台（5）使得所述被测精密主轴（4）的回转中心与AFM微探针（11）重合，设置AFM（1）为接触模式时，将AFM微探针（11）的针尖扫描范围设置为零，通过精密主轴控制器（6）控制所述被测精密主轴（4）匀速旋转，三维扫描导管（12）的Z向高度变化为所述被测精密主轴（4）的轴向回转误差。

7.根据权利要求6所述的精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，二维电动位移台控制器（7）用来调整所述二维电动位移台（5）的位置。

8.根据权利要求6所述的精密主轴回转精度检测方法，其特征在于，通过控制计算机（8）实现所述精密主轴控制器（6）对所述被测精密主轴（4）的旋转速度和旋转周数的控制。

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