CN108458679A - 一种气体静压主轴回转精度测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体静压主轴回转精度测试平台，所述的测试平台包括支撑架、测试平板、传感器调节组件、编码器调节组件、调心组件、标准球、电机、柔性联轴器等。测试平板通过水平调整件设置在支撑架上，在测试平板上表面分布有凹槽；传感器调节组件设置于凹槽之上，传感器调节组件能够调节传感器横向、纵向位置；待测主轴放置在测试平板中间孔端面上，其主轴上端设置有调心组件，调心组件包括编码器码盘、芯轴等，其上通过螺纹连接有标准球。柔性联轴器能够隔离驱动电机的振动和不同心引入的误差，调心组件具有调节标准球安装偏心、产生分度信号及索引信号的功能。本发明能够实现反转法、多步法和多测头法分离标准球的形状误差，得到主轴回转误差。

Description

一种气体静压主轴回转精度测试平台

技术领域

本发明属于精密、超精密气体静压主轴回转精度测试领域，具体涉及一种气体静压主轴回转精度测试平台。能够用于不带驱动及编码器的精密、超精密主轴的回转精度测试。

背景技术

精密、超精密气体静压主轴在国防尖端技术、超精密加工装备等领域发挥着不可替代的作用，其回转精度可达亚微米、纳米级。回转精度的精确测量具有重要意义。传统测量回转精度多采用标准球打表法，用于精密、超精密气体主轴测试时标准球的安装偏心和形状误差直接覆盖掉回转误差；采用反转法、多步法的误差分离技术可以分离标准球的形状误差，这些方法要求能对主轴的回转位置准确分度，同时保证标准球或传感器转位后精确对准，实际测试时多依靠主轴自带的编码器产生位置分度信号，结合设计的工装和高精度分度转台实现误差分离。对于不含驱动电机和编码器的气体主轴，这些方法因不能获得分度信号不能实现准确的误差分离。多点法测试可以克服传感器或标准球转位误差引起的测量误差，实现回转精度在线测量，但存在需要多个测量特性一致的位移测头，增加了成本。驱动电机同气体主轴的连接方式直接影响了回转精度的测试精度，为隔离或减小驱动装置自身回转误差和振动对测量精度的影响，目前有多种连接方式。商用的柔性联轴器连接刚度过大很难满足测量精度的要求，名称为”一种拨叉式精密柔性连接驱动机构”的中国专利（专利号：CN201310081642.4），介绍了一种拨叉柔性连接结构，能有效消除驱动电机同主轴之间的连接误差，但结构和装配都很复杂；名称为”一种超精密加工机床分离驱动式主轴系统”的中国专利（专利号：CN201310081642.4）介绍了一种基于平带的柔性拨动机构，同样存在结构和装配复杂的问题。

发明内容

为了克服已有技术中没有驱动装置和编码器的气体静压主轴不能匀速旋转或产生位置脉冲信号，不能分离出标准球圆度误差的不足。本发明提供一种气体静压主轴回转精度测试平台，能够用于不带驱动及编码器的精密、超精密主轴的回转精度测试。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种气体静压主轴回转精度测试平台，其特点是，所述的测试平台，包括测试平板、传感器调节组件、标准球、调心组件、驱动电机、电机法兰盘、柔性联轴器、四个结构相同的水平调整件、支撑架、编码器读数头调节组件。其中，所述的传感器调节组件含有纵向调整架Ⅰ、纵向微调整架Ⅰ、横向微调整架Ⅰ、传感器支架；所述的编码器读数头调节组件含有纵向调整架Ⅱ、纵向微调整架Ⅱ、横向微调整架Ⅱ、编码器读数头。所述的调心组件含有主分度盘、螺钉、副分度盘、调整螺钉、码盘心轴、码盘、锁紧螺母、法兰盘。所述的调心组件中的主分度盘外圆柱面设置有分度刻线，主分度盘内圆柱面与副分度盘的沉孔间隙配合，并通过副分度盘侧面的调整螺钉紧定，副分度盘通过螺钉与码盘心轴连接；码盘通过内圆柱面与码盘心轴的外圆柱面配合，并通过锁紧螺母压紧在码盘心轴台肩上，码盘心轴通过螺钉与法兰盘连接，所述的码盘不仅能够产生等分位置信号，每周能产生一个索引信号。所述的支撑架通过螺纹连接有四个水平调整件，四个水平调整件上表面与测试平板螺纹连接，安装时通过水平调整件使测试平板处于水平状态。测试平板的上表面设有多个凹槽，凹槽的中心线与待测主轴中心线重合。测试平板中间有一圆形台阶通孔，在台阶上通过螺栓连接有电机法兰盘，电机法兰盘下表面通过螺纹连接有伺服电机，电机法兰盘上表面设置有待测主轴，在测试平板的四边分布有调节螺杆，安装联轴器和电机时可以通过一边打表一边利用调节螺杆调整待测主轴位置的方式保证电机与待测主轴的同心，伺服电机通过柔性联轴器与待测主轴连接。所述的调心组件中的通过螺纹与待测主轴上端连接，调心组件中的主分度盘通过螺纹与标准球连接。传感器调节组件中的纵向调整架Ⅰ通过螺钉固定在测试平板上表面的凹槽中。纵向调整架Ⅰ一侧通过螺钉与测试平板连接、另一侧通过螺纹与纵向微调整架Ⅰ连接，纵向微调整架Ⅰ通过螺纹与横向微调整架Ⅰ连接；所述的传感器支架通过螺纹固定在横向调整架Ⅰ上,在传感器支架一端设置的孔中安装有位移传感器Ⅰ。所述的编码器读数头调节组件中的纵向调整架Ⅱ通过螺钉与测试平板连接，纵向微调整架Ⅱ通过螺纹与纵向调整架Ⅱ连接，所述的纵向微调整架Ⅱ通过螺纹与横向微调整架Ⅱ连接，所述的编码器读数头通过螺纹与横向微调整架Ⅱ连接。

所述的柔性联轴器本体为带有法兰安装面的圆柱体，在圆柱外表面交替切割成与轴线垂直的沟槽Ⅰ，在轴向形成柔性联接；在柔性联轴器的圆柱面上沿径向分布有两圈沿圆周均匀分布的沟槽Ⅱ，两圈沟槽Ⅱ分别与联轴器轴线同心，每圈沟槽Ⅱ沿圆周均匀分布为3段，外圈与内圈沟槽错开60°分布，在径向形成柔性联接。柔性联轴器的沟槽宽度应通过有限元刚度仿真确定，使其径向刚度、轴向刚度应小于待测气体静压主轴径向和轴向刚度的1/20。

所述的传感器调节组件设置的数量为一到四个。

所述的主分度盘、螺钉、副分度盘、调整螺钉、码盘心轴、码盘、锁紧螺母、法兰盘同轴线设置。

所述的气体静压主轴回转精度测试平台能应用反转法、多步法和多点法分离测试数据中标准球的形状误差。采用反转法误差分离和多步法误差分离前应对测量数据消偏心处理。消偏心的算法可采用最小二乘法和平均消偏法（滤除一次谐波）。

反转法测试技术方案为，利用调心组件将标准球同主轴回转轴线偏心尽量消除，设置2个传感器调整组件，相对放置，调整传感器使传感器处于标准球表面最高点。利用电机驱动待测主轴，使主轴匀速旋转。测得传感器1数据之后，将调心组件主分度盘相对副分度盘旋转180°，再次驱动主轴匀速旋转，测得传感器2数据，对 , 通过傅里叶级数展开出去一次谐波和直流分量后的数据为 , 。设标准球圆度为，回转误差为，则

则回转误差

多步法的测试技术方案为，利用调心组件将标准球同待测主轴回转轴线偏心尽量消除，设置1个传感器调整组件，调整位移传感器使位移传感器处于标准球表面最高点。将调心组件上的主分度盘相对副分度盘依次旋转一个刻度，累计旋转一周，利用电机驱动主轴匀速旋转，设各旋转位置下传感器读数分别为 , … ，通过傅里叶级数展开出去一次谐波和直流分量后的数据为 , … ，则回转误差为.为减小谐波抑制的影响，应使N大于最大谐波次数的1/2.

多点法的测试技术方案为，利用调心组件将标准球同待测主轴回转轴线偏心尽量消除，设置3个传感器调节组件，分别记为A,B,C，且使位移传感器均通过标准球中心，设传感器调节组件B相对A角度为，传感器调节组件C相对B角度为，使主轴匀速旋转。设传感器读数分别为 , , ,设权系数 ,则合成信号

设权函数,其中N为一圈采样点数，p,q均为整数，且,，，的选取应保证.

圆度可通过对傅里叶逆变换获得，则回转误差的正交方向的两个分量分别为：

多点法测试回转精度时，通过传感器的分时复用，可以只用一个传感器。利用编码器每周产生的索引信号作为数据采集的启动信号，分别在A,B,C三个位置进行回转精度测试，数据处理方法同上。

本发明的一种气体静压主轴回转精度测试平台有益效果是，本发明中的调心组件，不仅可以减小标准球安装偏心，同时可产生主轴回转位置脉冲信号和每周索引信号。基于此特点，可以测试不含驱动电机和编码器的待测气体静压主轴，方便实施消偏心算法和误差分离算法，重复性好。提出的分时复用的多点法误差分离方法，可以利用一个位移传感器实现多点法误差分离，测试成本低、工作效率高。

附图说明

图1a为本发明的气体静压主轴回转精度测试平台剖视图。

图1b为本发明的气体静压主轴回转精度测试平台俯视图。

图2为本发明中的调心组件爆炸图。

图3为本发明中的柔性联轴器结构图。

图4为本发明的实施例2结构示意图。

图5为本发明的实施例3结构示意图。

图6为本发明的实施例4结构示意图。

图中. 1 支撑架 2.调心螺杆 3.测试平板 4. 纵向调整架Ⅰ 5.纵向微调整架Ⅰ6.横向微调整架Ⅰ 7.传感器支架 9.标准球 10.调心组件 11.编码器读数头 12.水平调整件 13.电机法兰盘 14.柔性联轴器 15.电机 16 主分度盘 17.螺钉 18.副分度盘 19.调整螺钉 20.码盘心轴 21.码盘 22.锁紧螺母 23.法兰盘 24.螺钉 25.调整架转盘 27.沟槽Ⅰ 28.沟槽Ⅱ 41.纵向调整架Ⅱ 51.横向微调整架Ⅱ 61.横向微调整架Ⅱ 8.位移传感器Ⅰ 81.位移传感器a 82.位移传感器b 83.位移传感器c。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

实施例1

图1a为本发明的气体静压主轴回转精度测试平台剖视图,图1b为本发明的气体静压主轴回转精度测试平台俯视图,图2为本发明中的调心组件爆炸图,图3为本发明中的柔性联轴器结构图。在图1~3中，本发明的一种气体静压主轴回转精度测试平台，包括测试平板3、传感器调节组件、标准球9、调心组件10、驱动电机15、电机法兰盘13、柔性联轴器14、四个结构相同的水平调整件 12、支撑架1、编码器读数头调节组件；其中，所述的传感器调节组件含有纵向调整架Ⅰ4、纵向微调整架Ⅰ5、横向微调整架Ⅰ6、传感器支架7。所述的编码器读数头调节组件含有纵向调整架Ⅱ41、纵向微调整架Ⅱ51、横向微调整架Ⅱ61、编码器读数头11；所述的调心组件10含有主分度盘16、螺钉17、副分度盘18、调整螺钉19、码盘心轴20、码盘21、锁紧螺母22、法兰盘23；所述的调心组件10中的主分度盘16外圆柱面设置有分度刻线；主分度盘16内圆柱面与副分度盘18的沉孔间隙配合，并通过副分度盘18侧面的调整螺钉19紧定；副分度盘18通过螺钉17与码盘心轴20连接；码盘21通过内圆柱面与码盘心轴20的外圆柱面配合，并通过锁紧螺母22压紧在码盘心轴20台肩上，码盘心轴20通过螺钉24与法兰盘23连接，所述的码盘20不仅能够产生等分位置信号，每周能产生一个索引信号；所述的支撑架1通过螺纹分别连接有四个水平调整件12，四个水平调整件上表面与测试平板通过3螺纹连接；测试平板3的上表面设有多个凹槽；测试平板3中间有一圆形台阶通孔，在台阶上通过螺栓连接有电机法兰盘13，电机法兰盘13下表面通过螺纹连接有伺服电机15，电机法兰盘13上表面设置有待测主轴，伺服电机15通过柔性联轴器14与待测主轴连接；所述的调心组件10中的23通过螺纹与待测主轴上端连接，调心组件10中的主分度盘16通过螺纹与标准球9连接；传感器调节组件中的纵向调整架Ⅰ4通过螺钉固定在测试平板3上表面的凹槽中;纵向调整架Ⅰ4一侧通过螺钉与测试平板3连接、另一侧通过螺纹与纵向微调整架Ⅰ5连接，纵向微调整架Ⅰ5通过螺纹与横向微调整架Ⅰ6连接；所述的传感器支架7通过螺纹固定在横向调整架Ⅰ6上,在传感器支架7一端设置的孔中安装有位移传感器Ⅰ8；所述的编码器读数头调节组件中的纵向调整架Ⅱ41通过螺钉与测试平板3连接，纵向微调整架Ⅱ51通过螺纹与纵向调整架Ⅱ41连接，所述的横向微调整架Ⅱ61通过螺纹与纵向微调整架Ⅱ51连接，所述的编码器读数头11通过螺纹与横向微调整架Ⅱ61连接。

所述的柔性联轴器14的一端为带有法兰安装面的圆柱体，在圆柱外表面交替切割有与联轴器轴线垂直的沟槽Ⅰ27，用于在轴向形成柔性联接；在柔性联轴器14另一端的圆柱面上沿径向设置有两圈沿圆周均匀分布的沟槽Ⅱ28，内、外两圈沟槽分别与联轴器14轴线同轴心设置，每圈沟槽Ⅱ28沿圆周均匀分布为3段，外圈与内圈沟槽错开60°分布，在径向形成柔性联接。

所述的主分度盘16、螺钉17、副分度盘18、调整螺钉19、码盘心轴20、码盘21、锁紧螺母22、法兰盘23同轴线设置。

本实施例中，传感器调节组件设置的数量为一个；设置有四个水平调整件，水平调整件12是其中的一个。

本实施例采用多步法进行误差分离。测试时，利用调心组件尽量消除标准球与待测主轴回转轴线间的偏心，操作方法为，将调心组件法兰盘(23)同主轴连接的螺纹松开，轻敲码盘心轴20，一边用千分表测量码盘的径向跳动，直到跳动小于2μm，再锁紧螺纹；松开连接副分度盘18和码盘心轴20的螺钉，用千分表测头触及标准球表面，一边旋转主轴，直到偏心量小于1微米，再锁紧螺钉。设置1个传感器调整组件，调整传感器位置使传感器处于标准球表面最高点。将调心组件上的主分度盘相对副分度盘依次旋转一个刻度，累计旋转一周，共N个刻度，利用电机驱动主轴匀速旋转，在各刻度位置下主轴旋转n转，每个刻度位置下利用编码器索引信号作为采样开始信号，编码器脉冲为采样外部时钟，传感器读数在n圈内(n>=5)的平均值分别为,…，通过傅里叶级数展开出去一次谐波和直流分量后的数据为,…，则回转误差为.为减小谐波抑制的影响，应使N大于最大谐波次数的1/2.

实施例2

图4为本发明的实施例2结构示意图。

本实施例采用反转法进行误差分离。实施例的与实施例1的结构基本相同，不同之处在于，设置有2个传感器调整组件，且相对设置，见图4。利用调心组件尽量消除标准球与待测主轴回转轴线间的偏心，调整传感器使传感器处于标准球表面最高点。利用电机驱动待测主轴，使主轴匀速旋转，利用编码器索引信号作为采样启动信号，编码器脉冲为采样外部时钟。测得传感器1数据之后，将调心组件主分度盘相对副分度盘旋转180°，再次驱动主轴匀速旋转，测得传感器2数据，对,通过傅里叶级数展开出去一次谐波和直流分量后的数据为,。设标准球圆度为，回转误差为，则

则回转误差

实施例3

图5为本发明的实施例3结构示意图。

本实施例采用多点法进行误差分离。本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于设置有三个传感器调整组件，分别记为A,B,C，传感器调节组件A中设有位移传感器a81，传感器调节组件B中设有位移传感器b82，传感器调节组件C中设有位移传感器c83，见图5。利用调心组件尽量消除标准球与待测主轴回转轴线间的偏心，调节方法同实施例1，调整位移传感器位置使传感器均通过标准球中心。设传感器调节组件B相对传感器调整组件A角度为，传感器调节组件C相对传感器调整组件B角度为，使主轴匀速旋转，利用编码器索引信号作为采样启动信号，编码器脉冲为采样外部时钟。设传感器读数分别为,,,设权系数,则合成信号

设权函数,其中N为一圈采样点数，p,q均为整数，且,，，的选取应保证.

圆度可通过对傅里叶逆变换获得，则回转误差的正交方向的两个分量分别为：

实施例4

图6为本发明的实施例4结构示意图。

本实施例采用单传感器分时复用多点法进行误差分离，不同于实施例3的结构在于，设置有一个传感器调整组件，在测试平板3上表面增设有一个同心安装的调整架转盘25，且传感器调整组件通过螺钉安装在调整架转盘25上。利用调心组件将标准球同主轴回转轴线偏心尽量消除，调节方法同实施例1。旋转调整架转盘，使其分别在A,B,C三个位置进行回转精度测试，三个位置之间的角度关系为，B相对A夹角为，C相对B夹角为，利用编码器每周产生的索引信号作为数据采集的启动信号，在三个不同位置下传感器读数分别为,,，数据处理方法同实施例3。

Claims (4)

1.一种气体静压主轴回转精度测试平台，其特征在于：所述的测试平台，包括测试平板(3)、传感器调节组件、标准球(9)、调心组件(10)、驱动电机(15)、电机法兰盘(13)、柔性联轴器(14)、四个结构相同的水平调整件(12)、支撑架(1)、编码器读数头调节组件；其中，所述的传感器调节组件含有纵向调整架Ⅰ(4)、纵向微调整架Ⅰ(5)、横向微调整架Ⅰ(6)、传感器支架(7)；所述的编码器读数头调节组件含有纵向调整架Ⅱ(41)、纵向微调整架Ⅱ(51)、横向微调整架Ⅱ(61)、编码器读数头(11)；所述的调心组件(10)含有主分度盘(16) 、螺钉(17) 、副分度盘(18) 、调整螺钉(19)、码盘心轴(20)、码盘(21)、锁紧螺母(22)、法兰盘(23)；

上述测试平台的连接关系是，所述的调心组件(10)中的主分度盘(16)外圆柱面设置有分度刻线；主分度盘(16)内圆柱面与副分度盘(18)的沉孔间隙配合，并通过副分度盘(18)侧面的调整螺钉(19)紧定；副分度盘(18)通过螺钉(17)与码盘心轴(20)连接；码盘(21)通过内圆柱面与码盘心轴(20)的外圆柱面配合，并通过锁紧螺母(22)压紧在码盘心轴（20）台肩上，码盘心轴(20)通过螺钉(24)与法兰盘(23)连接；所述的支撑架(1)通过螺纹分别连接有四个水平调整件(12)，四个水平调整件上表面与测试平板(3)通过螺纹连接；测试平板(3)的上表面设有多个凹槽；测试平板（3）中心有一圆形台阶通孔，在台阶上通过螺栓连接有电机法兰盘(13)，电机法兰盘(13)下表面通过螺纹连接有伺服电机(15)，电机法兰盘（13）上表面用于放置待测主轴，伺服电机（15）通过柔性联轴器(14)与待测主轴驱动端连接；所述的调心组件(10)中的法兰盘（23）通过螺纹与待测主轴上端连接，调心组件（10）中的主分度盘（16）通过螺纹与标准球(9)连接；所述的传感器调节组件中的纵向调整架Ⅰ(4)通过螺钉固定在测试平板（3）上表面的凹槽中;纵向调整架Ⅰ(4)一侧通过螺钉与测试平板(3)连接、另一侧通过螺纹与纵向微调整架Ⅰ(5)连接，纵向微调整架Ⅰ(5)通过螺纹与横向微调整架Ⅰ(6)连接；所述的传感器支架(7)通过螺纹固定在横向调整架Ⅰ(6)上,在传感器支架(7)一端设置的孔中安装有位移传感器Ⅰ(8)；所述的编码器读数头调节组件中的纵向调整架Ⅱ(41)通过螺钉与测试平板(3)连接，纵向微调整架Ⅱ(51)通过螺纹与纵向调整架Ⅱ(41)连接，所述的横向微调整架Ⅱ(61)通过螺纹与纵向微调整架Ⅱ(51)连接；所述的编码器读数头(11)通过螺纹与横向微调整架Ⅱ(61)连接。

2.根据权利要求1所述的气体静压主轴回转精度测试平台，其特征在于：所述的柔性联轴器（14）一端为带有法兰安装面的圆柱形，在圆柱外表面交替切割有与柔性联轴器（14）轴线垂直的沟槽Ⅰ（27），沟槽Ⅰ（27）用于在轴向形成柔性联接；在柔性联轴器（14）的另一端的端面上沿径向设置有内、外两圈沿圆周均匀分布的沟槽Ⅱ（28），内、外两圈沟槽分别与柔性联轴器（14）轴线同轴心设置，每圈沟槽Ⅱ（28）沿圆周均匀分布为3段，外圈与内圈的沟槽错开60°分布，用于在径向形成柔性联接。

3.根据权利要求1所述的气体静压主轴回转精度测试平台，其特征在于：所述的传感器调节组件设置的数量为一到四个。

4.根据权利要求1所述的气体静压主轴回转精度测试平台，其特征在于：所述的主分度盘(16) 、螺钉(17) 、副分度盘(18) 、调整螺钉(19)、码盘心轴(20)、码盘(21)、锁紧螺母(22)、法兰盘(23)为同轴线设置。