CN105004515B - 基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，在直驱式超精密静压主轴转子的上端面安装高精度标准平晶作为测量基准，高精度标准平晶随主轴转子一起回转，反映主轴的实际回转状态，利用激光动态干涉仪对振动不敏感的特性，实时获取主轴转子回转时端部的高精度标准平晶表面的三维图像，然后将动态干涉仪所采集的图像传输到计算机进行图像分析与处理，并进行运动误差评价，从而实现主轴运动精度的在线测量。本发明可以实现对实际加工状态下的超精密静压主轴转子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，同时可反应机床切削加工过程中主轴回转运动规律的生成机理。

Description

基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法

技术领域

本发明涉及静压主轴性能测试技术领域，具体是一种基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法。

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，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。如何实现超精密静压主轴动态运动性能的在线测试是目前噬待解决的瓶颈问题。现有技术有静态测试和动态测试的方法实现对超精密主轴性能的测量，其中静态测试的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；当前的动态测试法易受实验环境的干扰，如磁干扰、机床震动等等，从而导致测试的结果准确性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，该测试方法是基于立式超精密机床静压主轴系统进行的，在立式超精密机床静压主轴的输入端部件的上端面安装高精度标准平晶作为测量基准，采用激光动态干涉仪测量并获取超精密静压主轴旋转时高精度标准平晶表面的实时图像，将激光动态干涉仪采集的图像送入计算机进行图像分析与处理，获得主轴回转误差数值，从而实现主轴动态回转精度的在线测量；

所述测试方法的具体实现过程为：

步骤1：安装测量基准平晶，将高精度标准平晶安装在超精密机床静压主轴的输入端部件的上端面上，高精度标准平晶通过专用装夹基座进行固定，实现高精度标准平晶的固定与微调整；

步骤2：安装激光动态干涉仪，首先将龙门支架固定在机床横梁支撑板上，其次将五维调整工作台固定安装在龙门支架上，再将激光动态干涉仪固定安装在五维调整工作台上；

步骤3：调节测量初始位置及初始间隙，缓缓转动机床的静压主轴，调整激光动态干涉仪与高精度标准平晶之间的相对位置，使机床静压主轴旋转时激光动态干涉仪与高精度标准平晶的间隙控制在激光动态干涉仪的测量量程范围内；然后调整干涉仪五维调整工作台使激光动态干涉仪前端镜头正对标准测试样件,所述初始间隙为10-30mm；

步骤4：调节激光动态干涉仪，运行激光动态干涉仪，在激光动态干涉仪镜头前1cm处放置一张不透光且有一个2～3mm孔的卡片，调节连接在激光源模块干涉仪遥控器上的焦距调整旋钮，直到卡或基准的边缘在其最清晰的焦点，使投射到高精度标准平晶表面的反射光能够原路返回激光动态干涉仪镜头；

步骤5：测量，运行立式超精密机床的静压主轴系统，利用激光动态干涉仪实时获取高精度标准平晶表面的图像，从而完成超精密静压主轴动态回转精度的在线测试操作。

作为本发明进一步的方案：所述激光动态干涉仪为对振动不敏感的激光干涉仪，测量模式采用高速光学相位传感器，最高曝光时间1μs，RMS重复性小于0.633nm，RMS精度小于1.25nm。

作为本发明进一步的方案：所述高精度标准平晶为光学平晶，面形精度PV值小于λ/50，其中λ=0.633μm，表面粗糙度RMS值小于2nm。

作为本发明再进一步的方案：所述超精密机床静压主轴系统为空气静压或液体静压超精密主轴系统，且其处于高速回转加工状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：测量基准安装在主轴的末端，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。在测量中采用激光动态干涉仪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，不受实验环境的影响，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为本发明具体实施方式的整体结构示意图。

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做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。

请参阅图1，本发明实施例中，基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，该测试方法是基于立式超精密机床静压主轴系统进行的，在立式超精密机床静压主轴的输入端部件7的上端面安装高精度标准平晶2作为测量基准，采用激光动态干涉仪1测量并获取超精密静压主轴旋转时高精度标准平晶表面2的实时图像，将激光动态干涉仪1采集的图像送入计算机18进行图像分析与处理，获得主轴回转误差数值，从而实现主轴动态回转精度的在线测量。

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 （转子部分）、机床横梁支撑板8、主轴轴套11（定子部分）、机床横梁13、微进给刀架14和金刚石刀具15；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7、上止推盘9、轴心10、下止推盘12固接构成；伺服电机包括电机定子4、电机转子5和机壳6；测量系统由安装在超精密直驱式静压主轴上端部的高精度标准平晶2、激光动态干涉仪1、干涉仪激光源模块20、干涉仪遥控器19以及计算机18组成。

电机定子4通过机壳6与机床横梁支撑板8相连，横梁支撑板8直接固连在机床横梁13上，从而实现电机定子4的安装与固定；电机转子5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9、下止推盘12、中空的轴心10以及输入端部件7，转动部件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11通过螺栓直接固定在机床横梁13上；主轴轴套11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。

激光动态干涉仪1安装在龙门支架3上，采用龙门支架3可以提高支撑刚度，避免由于龙门支架3变形对测量结果精度造成影响；计算机18实现测量图像的分析与处理操作；超精密机床的加工过程通过安装在主轴下止推盘12上的微进给刀架 14上的金刚石刀具15实现对工件的加工，工件安装在位于主轴下方的水平工作台上的真空吸盘上。

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。

基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法具体实现过程为：

步骤1：安装测量基准平晶，将高精度标准平晶2安装在超精密机床静压主轴的输入端部件7的上端面上，高精度标准平晶2通过专用装夹基座进行固定，实现高精度标准平晶的固定与微调整；

步骤2：安装激光动态干涉仪1，首先将龙门支架3固定在机床横梁支撑板8上，其次将五维调整工作台固定安装在龙门支架3上，再将激光动态干涉仪1固定安装在五维调整工作台上；

步骤3：调节测量初始位置及初始间隙，缓缓转动机床的静压主轴，调整激光动态干涉仪1与高精度标准平晶2之间的相对位置，使机床静压主轴旋转时激光动态干涉仪1与高精度标准平晶2的间隙控制在激光动态干涉仪1的测量量程范围内；然后调整干涉仪五维调整工作台使激光动态干涉仪1前端镜头正对标准测试样件；

步骤4：调节激光动态干涉仪1，运行激光动态干涉仪1，在激光动态干涉仪1镜头前1cm处放置一张不透光且有一个2～3mm孔的卡片，调节连接在激光源模块20干涉仪遥控器19上的焦距调整旋钮，直到卡或基准的边缘在其最清晰的焦点，使投射到高精度标准平晶表面的反射光能够原路返回激光动态干涉仪1镜头；

步骤5：测量，运行立式超精密机床的静压主轴系统，利用激光动态干涉仪1实时获取高精度标准平晶2表面的图像，从而完成超精密静压主轴动态回转精度的在线测试操作。

具体实施方式二

结合图1说明本实施方式，本实施方式的激光动态干涉仪1为对振动不敏感的泰曼格林型激光干涉仪，测量模式采用高速光学相位传感器，采集速率＞10帧/s，4000张干涉图/帧，最低曝光时间30μs，最高曝光时间1μs，RMS重复性小于0.633nm，RMS精度小于1.25nm。

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晶2为光学平晶，面形精度PV值小于λ/50，其中λ=0.633μm，表面粗糙度RMS值小于2nm。

具体实施方式四

本实施方式的高精度标准平晶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标准平晶 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，镀膜过程不影响高精度标准平晶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10-30mm；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。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，其特征在于，该测试方法是基于立式超精密机床静压主轴系统进行的，在立式超精密机床静压主轴的输入端部件（7）的上端面安装高精度标准平晶（2）作为测量基准，采用激光动态干涉仪（1）测量并获取超精密静压主轴旋转时高精度标准平晶（2）表面的实时图像，将激光动态干涉仪（1）采集的图像送入计算机（18）进行图像分析与处理，获得主轴回转误差数值，从而实现主轴动态回转精度的在线测量；

所述测试方法的具体实现过程为：

步骤1：安装测量基准平晶，将高精度标准平晶（2）安装在超精密机床静压主轴的输入端部件（7）的上端面上，高精度标准平晶（2）通过专用装夹基座进行固定，实现高精度标准平晶（2）的固定与微调整；

步骤2：安装激光动态干涉仪（1），首先将龙门支架（3）固定在机床横梁支撑板（8）上，其次将五维调整工作台固定安装在龙门支架（3）上，再将激光动态干涉仪（1）固定安装在五维调整工作台上；

步骤3：调节测量初始位置及初始间隙，缓缓转动机床的静压主轴，调整激光动态干涉仪（1）与高精度标准平晶（2）之间的相对位置，使机床静压主轴旋转时激光动态干涉仪（1）与高精度标准平晶（2）的间隙控制在激光动态干涉仪（1）的测量量程范围内；然后调整干涉仪五维工作台使激光动态干涉仪（1）前端镜头正对标准测试样件,所述初始间隙为10-30mm；

步骤4：调节激光动态干涉仪（1），运行激光动态干涉仪（1），在激光动态干涉仪（1）镜头前1cm处放置一张不透光且有一个2～3mm孔的卡片，调节连接在激光源模块（20）干涉仪遥控器（19）上的焦距调整旋钮，直到卡或基准的边缘在其最清晰的焦点，使投射到高精度标准平晶（2）表面的反射光能够原路返回激光动态干涉仪（1）镜头；

步骤5：测量，运行立式超精密机床的静压主轴系统，利用激光动态干涉仪（1）实时获取高精度标准平晶（2）表面的图像，从而完成超精密静压主轴动态回转精度的在线测试操作。

2.根据权利要求1所述的基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，其特征在于，所述激光动态干涉仪（1）为对振动不敏感的激光干涉仪，测量模式采用高速光学相位传感器，最高曝光时间1μs，RMS重复性小于0.633nm，RMS精度小于1.25nm。

3.根据权利要求1所述的基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，其特征在于，所述高精度标准平晶（2）为光学平晶，面形精度PV值小于λ/50，其中λ=0.633μm，表面粗糙度RMS值小于2nm。

4. 根据权利要求 1 所述的基于激光动态干涉仪的静压主轴运动精度在线测试方法，其特征在于，所述超精密机床静压主轴系统为空气静压或液体静压超精密主轴系统，且其处于高速回转加工状态。