CN109238218A - 一种大型抛光机盘面平面度检测装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置及其工作方法，所述的装置包括基座、气体静压轴承单元、摆臂、距离传感器、抛光盘、液压转台和工控机，所述的抛光盘安装在液压转台上，所述的气体静压轴承单元和液压转台并列固定在基座上，所述的摆臂两端分别与气体静压主轴和距离传感器相连接。本发明使用气体静压主轴带动摆臂完成抛光机抛光盘的平面度测量，旋转运动精度可达0.1μm，与传统液压平台相比旋转运动精度提高至少50％；本发明可获得与普通龙门式测量装置相当的刚度但不过分占用抛光盘上方空间，便于抛光盘装卸；本发明使用在位测量的方式，节省了对抛光盘进行拆卸与安装的人力与时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及测量装备领域，特别是涉及一种大型抛光机盘面平面度检测装置及其工作方法，适合在位测量抛光机的大尺寸抛光盘的平面度。
背景技术
在环形抛光技术中，加工元件表面与抛光盘直接接触，靠外力或工件自重附着在抛光盘表面随抛光盘的旋转运动完成抛光，因此抛光盘的表面形貌将对工件的最终加工质量产生直接影响。大型抛光机的抛光盘直径普遍在1m以上，质量可达1t，难以装卸及搬运，很难满足常见的干涉仪、三坐标测量仪等检测仪器的平面度测量要求。目前最常见的办法仍是人工打表测量，耗费人工且检测结果可靠性不高。
中国专利CN 103954237 A公开了一种平面抛光盘表面形状误差的检测装置，采用高稳定性导轨和高精度位移传感器，可实现抛光盘表面形状的高精度测量。但该专利采用龙门式结构，在大型抛光盘直径为1.5m的条件下、直线导轨的长度至少为1.8m，在此长度条件下测头的运动精度难以保证，且造价高昂。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种检测装置总体尺寸较小、运动精度高、造价低廉的大型抛光机抛光盘的平面度检测装置及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置，包括基座、气体静压轴承单元、摆臂、距离传感器、抛光盘、液压转台和工控机，所述的气体静压轴承单元包括气体静压轴承座、气体静压轴承、主轴角度传感器和气体静压主轴，所述的抛光盘安装在液压转台上，所述的气体静压轴承单元和液压转台并列固定在基座上，所述的摆臂通过摆臂右端的定位孔和气体静压主轴相连接，所述的距离传感器通过摆臂左端的定位孔和摆臂相连接；
所述的气体静压轴承固定在气体静压轴承座上，所述的气体静压主轴为阶梯轴，两端定位部分轴径较大，中间定位部分轴径较小，上端定位部分的下表面与气体静压轴承上表面接触，下端定位部分的上表面与气体静压轴承下表面接触，中间定位部分的圆柱状侧面与气体静压轴承内孔接触并配合；所述的气体静压轴承设有六个气体通道，六个气体通道在水平方向上以气体静压轴承内孔为中心沿周向均匀分布；每个气体通道均为十字形通道，十字形通道的径向通道与气体静压轴承的内外表面连通，十字形通道的轴向通道与气体静压轴承的上下表面连通；所述的气体静压轴承单元工作时，六个气体通道同时供气，保证气体静压主轴的平稳旋转；所述的主轴角度传感器为圆环状结构，底面固定在气体静压轴承的上表面，内侧面与气体静压主轴的上端定位部分的外圆表面间隙配合，通过气体静压轴承和气体静压主轴的相对角度变化测量气体静压主轴的旋转角度；
所述的工控机通过数据线分别与直驱电机、伺服电机、距离传感器和主轴角度传感器连接；
所述的工控机中安装检测控制系统，所述的检测控制系统在LabVIEW环境下基于研华API通用函数框架二次开发，包括抛光盘旋转单元、气体静压主轴旋转单元和数据采集及计算单元，所述的抛光盘旋转单元控制直驱电机带动液压转台，从而实现抛光盘的稳定旋转，并将旋转角度传输至数据采集及计算单元中；所述的气体静压主轴旋转单元控制伺服电机带动气体静压主轴旋转，从而实现摆臂在规定范围内的定轴旋转运动，旋转角度传输至数据采集及计算单元中；所述的数据采集及计算单元采集并储存抛光盘旋转角度数据、气体静压主轴旋转角度数据和与之对应的距离传感器数据，经数据处理后计算得出抛光盘的平面度。
进一步地，所述的气体静压主轴的两端定位部分轴径相等。
进一步地，所述的十字形通道的轴向通道和径向通道均为圆形通道，径向通道的外端口为进气口，另外三个端口均为出气口。
进一步地，所述的摆臂的长度为抛光盘半径的0.4～0.8倍。
一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置的工作方法，包括以下步骤：
A、气体静压主轴旋转带动摆臂运动，距离传感器测量临时安装在基座上的位置标定块的位置数据并清零，完成位置标定；
B、气体静压主轴旋转带动摆臂作定轴旋转运动，主轴角度传感器记录摆臂的摆动角度，与此同时距离传感器测量抛光盘各点的位置数据；
C、不断重复步骤B直至达到单次测量预定的测量点数，随后将抛光盘各点位置数据及摆臂旋转角度一一对应并传输至数据采集及计算单元，抛光盘旋转单元控制抛光盘旋转角度θ，θ由液压转台测得；
D、不断依次重复步骤B、C直至达到预定的测量次数，随后，数据采集及计算单元使用最小二乘法计算出抛光盘的平面度；
所述的抛光盘的平面度计算方法，包括以下步骤：
D1、求出单次测量时测量点与原点的距离；
AC2＝a2+b2-2abcosα
其中，AC为单次测量时测量点与原点的距离，a＝b为摆臂中距离传感器定位孔中心到气体静压主轴定位孔中心的距离，α为摆臂摆动的角度；
D2、求出抛光盘旋转角度θ后测量点的直角坐标；
其中，x为抛光盘旋转角度θ后测量点的横向直角坐标，y为抛光盘旋转角度θ后测量点的纵向直角坐标，θ为抛光盘的旋转角度；
D3、求出抛光盘的平面度；
z＝Ax+By+C
f＝max(z’-z)-min(z1-z)
式中，N为测量点的数量，z’为距离传感器经位置标定后测量抛光盘的形貌数据，f为抛光盘的平面度，i为正整数，取值范围为1≤N≤2000；α取值范围为0°≤α≤90°；θ取值范围为0°≤θ≤360°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明使用气体静压主轴带动摆臂完成抛光机抛光盘的平面度测量，旋转运动精度可达0.1μm，与传统液压平台相比旋转运动精度提高至少50％；
2、本发明的轮廓尺寸约为抛光盘的0.4倍，摆臂长度仅为所述的抛光盘直径的0.4～0.8倍，因此可获得与普通龙门式测量装置相当的刚度但不过分占用抛光盘上方空间，便于抛光盘装卸；
3、本发明使用在位测量的方式，节省了对抛光盘进行拆卸与安装的人力与时间成本。
附图说明
图1为本发明的检测装置轴测示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的主视图；
图4为本发明的检测控制系统组成示意图；
图5为本发明的工作方法流程示意图；
图6为本发明的测量原理图；
图7为本发明的摆臂测量轨迹包络图。
图中：1-基座，2-气体静压轴承座，3-气体静压轴承，4-主轴角度传感器，5-气体静压主轴，6-摆臂，7-距离传感器，8-抛光盘，9-液压转台。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式仅是示意性而不是限制性的，凡利用本发明说明书及附图相关内容所作的等效结构或控制流程及思想，或直接或间接地运用在其他相关领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明的左右方向仅为描述方面相对于图面而言，不构成对本发明的限制。
如图1-4所示，一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置，包括基座1、气体静压轴承单元、摆臂6、距离传感器7、抛光盘8、液压转台9和工控机，所述的气体静压轴承单元包括气体静压轴承座2、气体静压轴承3、主轴角度传感器4和气体静压主轴5，所述的抛光盘8安装在液压转台9上，所述的气体静压轴承单元和液压转台9并列固定在基座1上，所述的摆臂6通过摆臂6右端的定位孔和气体静压主轴5相连接，所述的距离传感器7通过摆臂6左端的定位孔和摆臂6相连接；
所述的气体静压轴承3固定在气体静压轴承座2上，所述的气体静压主轴5为阶梯轴，两端定位部分轴径较大，中间定位部分轴径较小，上端定位部分的下表面与气体静压轴承3上表面接触，下端定位部分的上表面与气体静压轴承3下表面接触，中间定位部分的圆柱状侧面与气体静压轴承3内孔接触并配合；所述的气体静压轴承3设有六个气体通道，六个气体通道在水平方向上以气体静压轴承3内孔为中心沿周向均匀分布；每个气体通道均为十字形通道，十字形通道的径向通道与气体静压轴承3的内外表面连通，十字形通道的轴向通道与气体静压轴承3的上下表面连通；所述的气体静压轴承单元工作时，六个气体通道同时供气，保证气体静压主轴5的平稳旋转；所述的主轴角度传感器4为圆环状结构，底面固定在气体静压轴承3的上表面，内侧面与气体静压主轴5的上端定位部分的外圆表面间隙配合，通过气体静压轴承3和气体静压主轴5的相对角度变化测量气体静压主轴5的旋转角度；
所述的工控机通过数据线分别与直驱电机、伺服电机、距离传感器7和主轴角度传感器4连接；
所述的工控机中安装检测控制系统，所述的检测控制系统在LabVIEW环境下基于研华API通用函数框架二次开发，包括抛光盘旋转单元、气体静压主轴旋转单元和数据采集及计算单元，所述的抛光盘旋转单元控制直驱电机带动液压转台9，从而实现抛光盘8的稳定旋转，并将旋转角度传输至数据采集及计算单元中；所述的气体静压主轴旋转单元控制伺服电机带动气体静压主轴5旋转，从而实现摆臂6在规定范围内的定轴旋转运动，旋转角度传输至数据采集及计算单元中；所述的数据采集及计算单元采集并储存抛光盘8旋转角度数据、气体静压主轴5旋转角度数据和与之对应的距离传感器7数据，经数据处理后计算得出抛光盘8的平面度。
进一步地，所述的气体静压主轴5的两端定位部分轴径相等。
进一步地，所述的十字形通道的轴向通道和径向通道均为圆形通道，径向通道的外端口为进气口，另外三个端口均为出气口。
进一步地，所述的摆臂6的长度为抛光盘8半径的0.4～0.8倍。
如图1-6所示，一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置的工作方法，包括以下步骤：
A、气体静压主轴5旋转带动摆臂6运动，距离传感器7测量临时安装在基座1上的位置标定块的位置数据并清零，完成位置标定；
B、气体静压主轴5旋转带动摆臂6作定轴旋转运动，主轴角度传感器4记录摆臂6的摆动角度，与此同时距离传感器7测量抛光盘8各点的位置数据；
C、不断重复步骤B直至达到单次测量预定的测量点数，随后将抛光盘8各点位置数据及摆臂6旋转角度一一对应并传输至数据采集及计算单元，抛光盘旋转单元控制抛光盘8旋转角度θ，θ由液压转台9测得；
D、不断依次重复步骤B、C直至达到预定的测量次数，随后，数据采集及计算单元使用最小二乘法计算出抛光盘8的平面度；
所述的抛光盘8的平面度计算方法，包括以下步骤：
D1、求出单次测量时测量点与原点的距离；
AC2＝a2+b2-2abcosα
其中，AC为单次测量时测量点与原点的距离，a＝b为摆臂6中距离传感器7定位孔中心到气体静压主轴5定位孔中心的距离，α为摆臂6摆动的角度；
D2、求出抛光盘8旋转角度θ后测量点的直角坐标；
其中，x为抛光盘8旋转角度θ后测量点的横向直角坐标，y为抛光盘8旋转角度θ后测量点的纵向直角坐标，θ为抛光盘8的旋转角度；
D3、求出抛光盘8的平面度；
z＝Ax+By+C
f＝max(z’-z)-min(z1-z)
式中，N为测量点的数量，z’为距离传感器7经位置标定后测量抛光盘8的形貌数据，f为抛光盘8的平面度，i为正整数，取值范围为1≤N≤2000；α取值范围为0°≤α≤90°；θ取值范围为0°≤θ≤360°。
如图7所示，当摆臂6长度为抛光盘8半径的0.6倍时，多次运动形成的测量轨迹可覆盖抛光盘8的加工区域，进一步分析可得：根据工件尺寸及工件在抛光盘8上的位置变化，摆臂6长度应为抛光盘8半径的0.4～0.8倍，可最大限度减小测量设备总体尺寸并覆盖全部加工区域。
Claims (5)
1.一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置，其特征在于：包括基座(1)、气体静压轴承单元、摆臂(6)、距离传感器(7)、抛光盘(8)、液压转台(9)和工控机，所述的气体静压轴承单元包括气体静压轴承座(2)、气体静压轴承(3)、主轴角度传感器(4)和气体静压主轴(5)，所述的抛光盘(8)安装在液压转台(9)上，所述的气体静压轴承单元和液压转台(9)并列固定在基座(1)上，所述的摆臂(6)通过摆臂(6)右端的定位孔和气体静压主轴(5)相连接，所述的距离传感器(7)通过摆臂(6)左端的定位孔和摆臂(6)相连接；
所述的气体静压轴承(3)固定在气体静压轴承座(2)上，所述的气体静压主轴(5)为阶梯轴，两端定位部分轴径较大，中间定位部分轴径较小，上端定位部分的下表面与气体静压轴承(3)上表面接触，下端定位部分的上表面与气体静压轴承(3)下表面接触，中间定位部分的圆柱状侧面与气体静压轴承(3)内孔接触并配合；所述的气体静压轴承(3)设有六个气体通道，六个气体通道在水平方向上以气体静压轴承(3)内孔为中心沿周向均匀分布；每个气体通道均为十字形通道，十字形通道的径向通道与气体静压轴承(3)的内外表面连通，十字形通道的轴向通道与气体静压轴承(3)的上下表面连通；所述的气体静压轴承单元工作时，六个气体通道同时供气，保证气体静压主轴(5)的平稳旋转；所述的主轴角度传感器(4)为圆环状结构，底面固定在气体静压轴承(3)的上表面，内侧面与气体静压主轴(5)的上端定位部分的外圆表面间隙配合，通过气体静压轴承(3)和气体静压主轴(5)的相对角度变化测量气体静压主轴(5)的旋转角度；
所述的工控机通过数据线分别与直驱电机、伺服电机、距离传感器(7)和主轴角度传感器(4)连接；
所述的工控机中安装检测控制系统，所述的检测控制系统在LabVIEW环境下基于研华API通用函数框架二次开发，包括抛光盘旋转单元、气体静压主轴旋转单元和数据采集及计算单元，所述的抛光盘旋转单元控制直驱电机带动液压转台(9)，从而实现抛光盘(8)的稳定旋转，并将旋转角度传输至数据采集及计算单元中；所述的气体静压主轴旋转单元控制伺服电机带动气体静压主轴(5)旋转，从而实现摆臂(6)在规定范围内的定轴旋转运动，旋转角度传输至数据采集及计算单元中；所述的数据采集及计算单元采集并储存抛光盘(8)旋转角度数据、气体静压主轴(5)旋转角度数据和与之对应的距离传感器(7)数据，经数据处理后计算得出抛光盘(8)的平面度。
2.根据权利要求1所述的一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置，其特征在于：所述的气体静压主轴(5)的两端定位部分轴径相等。
3.根据权利要求1所述的一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置，其特征在于：所述的十字形通道的轴向通道和径向通道均为圆形通道，径向通道的外端口为进气口，另外三个端口均为出气口。
4.根据权利要求1所述的一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置，其特征在于：所述的摆臂(6)的长度为抛光盘(8)半径的0.4～0.8倍。
5.一种大型抛光机抛光盘的平面度检测装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、气体静压主轴(5)旋转带动摆臂(6)运动，距离传感器(7)测量临时安装在基座(1)上的位置标定块的位置数据并清零，完成位置标定；
B、气体静压主轴(5)旋转带动摆臂(6)作定轴旋转运动，主轴角度传感器(4)记录摆臂(6)的摆动角度，与此同时距离传感器(7)测量抛光盘(8)各点的位置数据；
C、不断重复步骤B直至达到单次测量预定的测量点数，随后将抛光盘(8)各点位置数据及摆臂(6)旋转角度一一对应并传输至数据采集及计算单元，抛光盘旋转单元控制抛光盘(8)旋转角度θ，θ由液压转台(9)测得；
D、不断依次重复步骤B、C直至达到预定的测量次数，随后，数据采集及计算单元使用最小二乘法计算出抛光盘(8)的平面度；
所述的抛光盘(8)的平面度计算方法，包括以下步骤：
D1、求出单次测量时测量点与原点的距离；
AC2＝a2+b2-2abcosα
其中，AC为单次测量时测量点与原点的距离，a＝b为摆臂(6)中距离传感器(7)定位孔中心到气体静压主轴(5)定位孔中心的距离，α为摆臂(6)摆动的角度；
D2、求出抛光盘(8)旋转角度θ后测量点的直角坐标；
其中，x为抛光盘(8)旋转角度θ后测量点的横向直角坐标，y为抛光盘(8)旋转角度θ后测量点的纵向直角坐标，θ为抛光盘(8)的旋转角度；
D3、求出抛光盘(8)的平面度；
z＝Ax+By+C
f＝max(z′-z)-min(z1-z)
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| CN112157561A (zh) * | 2020-08-14 | 2021-01-01 | 大连理工大学 | 一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机 |
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|---|---|
| CN109238218B (zh) | 2019-12-27 |
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