CN110948288A - 基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置与方法。目前气浮轴承的回转误差主要采用砝码式或弹簧式进行补偿，无法实现实时检测和精准补偿。本发明包括进气压力控制阀、辅助测量反射台、激光发射器、径向气浮轴承和测量敏感元件；当出现激光发射器发射的激光反射在对应测量敏感元件上不在预定位置时，控制器判定气浮主轴出现回转运动误差，记录预定位置未接收到激光的各测量敏感元件的编号，并控制对应的各进气压力控制阀调节进气压力，进而调节径向气浮轴承对应进气区的气体压力，给气浮主轴对应方向的运动精度补偿。本发明采用光学测量原理，能实现对主轴回转误差实时、在位检测，检测更准确，补偿更精准。

Description

基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置与方法

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，具体涉及一种基于反射原理的气浮主轴回转运动误差补偿装置及其对气浮主轴回转误差的检测和补偿方法。

背景技术

随着科学技术的发展，气浮轴承具有极小的摩擦系数、较高的回转精度和无污染等优点，在精密机械与测量仪器中获得了越来越广泛的应用。气浮静压轴承集中体现了高速、高效、高精密的加工性能，是高精密机床主轴的主要发展方向之一。

在气浮主轴的工作过程中，刀头的进给、切削力和主轴的高速旋转等都易导致主轴的回转误差增大，从而机床的加工精度难以保证。

目前，气浮轴承在工作过程中由于振动或者刀具进给而产生的回转误差，主要采用砝码式或者弹簧式进行承载补偿。但是这种补偿方式的加载器与轴承的连接方式一般为刚性连接，加载力大小无法精确的保证，而且无法实现实时的检测和精准的误差补偿。

发明内容

本发明的目的是针对现有的气浮主轴回转运动误差检测及精度补偿方式的不足，提出一种基于反射原理的气浮主轴回转运动误差的补偿装置以及气浮主轴的回转误差检测和补偿方法，能够准确地、实时地对气浮主轴回转误差进行检测及运动精度补偿。

本发明所采用的技术方案是：

本发明基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置，包括装置固定板、通气管、进气压力控制阀、测量装置固定支架、调心旋钮、辅助测量反射台、测量敏感元件安装底座、激光发射器安装底座、激光发射器、轴承固定套筒、径向气浮轴承和测量敏感元件；装置固定板的安装平面中心处开设有主轴过孔；装置固定板的安装平面上还开设有沿主轴过孔周向均布的n个通孔和以及沿主轴过孔周向均布的n个螺纹孔组，螺纹孔组所在圆周直径大于通孔所在圆周直径；n≥4；所述的螺纹孔组由呈三角形排布的三个螺纹孔一组成，或由呈阵列排布的四个螺纹孔一组成；轴承固定套筒的n个螺纹孔二与装置固定板的n个通孔分别通过螺栓连接；n个螺纹孔组与n个测量装置固定支架分别连接，连接方式为以下两种方式的一种：①螺纹孔组由三个螺纹孔一组成时，各测量装置固定支架的三个通孔与对应螺纹孔组的三个螺纹孔一分别通过螺栓连接；②螺纹孔组由四个螺纹孔一组成时，各测量装置固定支架的四个通孔与对应螺纹孔组的四个螺纹孔一分别通过螺栓连接；每个测量装置固定支架上都固定有进气压力控制阀、测量敏感元件安装底座和激光发射器安装底座；激光发射器安装底座上固定有激光发射器，激光发射器的光轴平行于装置固定板的安装平面；所有激光发射器的光轴共面设置，且相交于同一点，该点位于轴承固定套筒的中心轴线上；所述的测量敏感元件安装底座上固定有测量敏感元件；同一个测量装置固定支架上，测量敏感元件的测量平面的法线与装置固定板的安装平面之间的夹角A为45～75度；所述的辅助测量反射台呈棱数为n的正棱台形，辅助测量反射台的每个反射面上均开设有螺纹孔三，n个螺纹孔三沿辅助测量反射台的中心轴线均布，每个螺纹孔三与一个调心旋钮通过螺纹连接；辅助测量反射台的反射面与辅助测量反射台的中心轴线之间的夹角为A/2。每个进气压力控制阀与轴承固定套筒对应的一个进气孔通过一根通气管接通；径向气浮轴承固定套置在轴承固定套筒内；径向气浮轴承通过密封隔离块分隔为n个进气区；径向气浮轴承的每个进气区与轴承固定套筒对应位置的一个进气孔连通；径向气浮轴承的每个进气区开设有间距设置的两个节流孔；各进气压力控制阀均与气泵连接；各进气压力控制阀均由控制器控制，各测量敏感元件的信号输出端均接控制器。

优选地，每两个激光发射器归为一组，同组的两个激光发射器的光轴同轴设置。

优选地，所述的激光发射器采用准直激光发射器。

优选地，夹角A取60度。

优选地，径向气浮轴承与轴承固定套筒的固定方式为：径向气浮轴承置于轴承固定套筒的环形槽口内，且径向气浮轴承的两个端面分别由轴承端挡盖和环形槽口的底部轴向限位；轴承端挡盖通过螺钉固定在轴承固定套筒上，且轴承端挡盖与径向气浮轴承的端面之间设有间隙调整垫圈。

优选地，所述激光发射器的光轴与径向气浮轴承中心轴线垂直并相交；每个激光发射器的光轴处于径向气浮轴承对应一个进气区中两个节流孔的中间位置；所有激光发射器的光轴和所有节流孔的中心轴线共面。

该基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和运动精度补偿的方法，具体如下：

步骤1、将径向气浮轴承套置于气浮主轴上，装置固定板固定安装于机床上，保证气浮主轴回转轴线与径向气浮轴承中心轴线重合。然后，在辅助测量反射台的各反射面上均绘制一条辅助测量直线，所有辅助测量直线共面；最后，将辅助测量反射台套置于气浮主轴上，旋转各螺纹孔三内的调心旋钮，使调心旋钮尾端压紧在气浮主轴上；辅助测量反射台固定后要保证两点，以提高测量和补偿的精度：①各调心旋钮与辅助测量反射台的反射面相交的刻度一致，从而保证辅助测量反射台的各反射面相交的点处在气浮主轴中心轴线上；②各激光发射器的光轴与辅助测量反射台对应反射面上的辅助测量直线相交。

步骤2、控制器对各测量敏感元件进行编号；辅助测量反射台随气浮主轴同步旋转。当各激光发射器发射的激光经过辅助测量反射台对应的反射面反射在对应测量敏感元件的预定位置时，控制器判定气浮主轴处于零回转运动误差旋转状态，进气压力控制阀不改变进入的气体压力，从而径向气浮轴承的进气压力保持不变。当出现激光发射器发射的激光经过辅助测量反射台对应的反射面反射在对应测量敏感元件上不在预定位置时，控制器判定气浮主轴出现回转运动误差，记录预定位置未接收到激光的各测量敏感元件的编号，并控制与未接收到激光的测量敏感元件处于同一个测量装置固定支架上的各进气压力控制阀调节进气压力，进而调节径向气浮轴承对应进气区的气体压力，给予气浮主轴对应方向的运动精度补偿。

优选地，各测量敏感元件沿周向依次顺序编号。

优选地，对气浮主轴进行运动精度补偿时，采用测量敏感元件实时反馈，控制器控制进气压力控制阀以预设步长不断调节进气压力的方式进行。

优选地，对气浮主轴进行运动精度补偿时，采用精准补偿算法，具体为：由于激光发射点、激光照射在测量敏感元件上的实际反射点、激光照射在测量敏感元件上的理论反射点、激光发射方向都为已知量，建立坐标系后，结合物理学中的入射角、反射角和法平面，计算得到反射面上理论发生反射点和实际发生反射点的位置，从而得到主轴回转误差的大小，然后控制器根据主轴回转误差大小控制进气压力控制阀调节进气压力进行补偿。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明采用n个互成一定角度的反射面，在周向均匀分布的n个激光发射器发射的激光直射下，当一个测量敏感元件检测到主轴回转运动误差时，其它测量敏感元件也会检测到相应的变化，从而控制n个进气压力控制阀分别做出补偿反应；由于本发明采用光学测量原理，能实现对主轴回转误差实时、在位检测，对主轴的回转运动误差检测更为准确、全面，补偿更为精准、及时。

2.本发明采用互成固定角度的多面体棱台形，每个反射面与主轴轴线成同样的夹角，使得主轴发生误差运动后，反射法平面变化较大，能够放大误差，更便于主轴误差的检测。

3.本发明通过径向气浮轴承在给予主轴运动误差补偿时，为非接触形式，不会产生摩擦、振动等影响主轴运动精度的因素，也不干涉主轴的旋转运动。

4.本发明采用多个方向控制，周向均匀多点式补偿，不仅可以均匀、平缓地对主轴运动精度进行补偿，而且能全方向对主轴运动误差进行补偿。

5.本发明采用测量敏感元件、进气压力控制阀和控制器的闭环控制方式，能对主轴回转运动误差进行实时的检测与补偿，使补偿的精度更高。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构立体图；

图2为本发明装置的局部结构侧视图(带箭头直线为激光光路)；

图3为本发明进行主轴回转误差检测的原理图；

图4为本发明中径向气浮轴承的气体路径图；

图5为本发明中辅助测量反射台与气浮主轴的装配示意图；

图6为本发明采用精准补偿算法求解的示意图；

图中：1-装置固定板，2-通气管，3-进气压力控制阀，4-测量装置固定支架，5-调心旋钮，6-辅助测量反射台，7-测量敏感元件安装底座，8-激光发射器安装底座，9-激光发射器，10-轴承固定套筒，11-径向气浮轴承，12-间隙调整垫圈，13-轴承端挡盖，14-测量敏感元件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图5所示，基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置，包括装置固定板1、通气管2、进气压力控制阀3、测量装置固定支架4、调心旋钮5、辅助测量反射台6、测量敏感元件安装底座7、激光发射器安装底座8、激光发射器9、轴承固定套筒10、径向气浮轴承11和测量敏感元件14；装置固定板1的安装平面中心处开设有主轴过孔；装置固定板1的安装平面上还开设有沿主轴过孔周向均布的n个通孔和以及沿主轴过孔周向均布的n个螺纹孔组，螺纹孔组所在圆周直径大于通孔所在圆周直径；n≥4(作为优选实施例，n＝4)；螺纹孔组由呈三角形排布的三个螺纹孔一组成，或由呈阵列排布的四个螺纹孔一组成；轴承固定套筒10的n个螺纹孔二与装置固定板1的n个通孔分别通过螺栓连接；n个螺纹孔组与n个测量装置固定支架4分别连接，连接方式为以下两种方式的一种：①螺纹孔组由三个螺纹孔一组成时，各测量装置固定支架4的三个通孔与对应螺纹孔组的三个螺纹孔一分别通过螺栓连接；②螺纹孔组由四个螺纹孔一组成时，各测量装置固定支架4的四个通孔与对应螺纹孔组的四个螺纹孔一分别通过螺栓连接；每个测量装置固定支架4上都固定有进气压力控制阀3、测量敏感元件安装底座7和激光发射器安装底座8；激光发射器安装底座8上固定有激光发射器9(作为优选实施例，激光发射器采用准直激光发射器)，激光发射器9的光轴平行于装置固定板1的安装平面；所有激光发射器9的光轴共面设置，且相交于同一点，该点位于轴承固定套筒10的中心轴线上；作为优选实施例，每两个激光发射器9归为一组，同组的两个激光发射器9的光轴同轴设置；测量敏感元件安装底座7上固定有测量敏感元件14；同一个测量装置固定支架4上，测量敏感元件14的测量平面的法线与装置固定板1的安装平面之间的夹角A为45～75度(作为优选实施例，取60度)；辅助测量反射台6呈棱数为n的正棱台形，辅助测量反射台6的每个反射面上均开设有螺纹孔三，n个螺纹孔三沿辅助测量反射台6的中心轴线均布，每个螺纹孔三与一个调心旋钮5通过螺纹连接；辅助测量反射台6装配后，辅助测量反射台6的n个反射面相交的点位于气浮主轴回转轴线上，以保证对气浮主轴回转运动精度的检测更加精准；辅助测量反射台6的反射面与辅助测量反射台的中心轴线之间的夹角为A/2。每个进气压力控制阀3与轴承固定套筒10对应的一个进气孔通过一根通气管2接通，通气管2起导气作用；径向气浮轴承11固定套置在轴承固定套筒10内，作为优选实施例，径向气浮轴承11与轴承固定套筒10的固定方式为：径向气浮轴承11置于轴承固定套筒10的环形槽口内，且径向气浮轴承11的两个端面分别由轴承端挡盖13和环形槽口的底部轴向限位；轴承端挡盖13通过螺钉固定在轴承固定套筒10上，且轴承端挡盖13与径向气浮轴承11的端面之间设有间隙调整垫圈12；径向气浮轴承11通过密封隔离块分隔为n个进气区，分别对应于n个测量装置固定支架4的测量方位；径向气浮轴承11的每个进气区与轴承固定套筒10对应位置的一个进气孔连通；作为优选实施例，如图4所示，径向气浮轴承11的每个进气区开设有间距设置的两个节流孔；各进气压力控制阀3均与气泵连接，气泵泵出的气体经进气压力控制阀3后从通气管2进入径向气浮轴承11相应的进气区，经进气区的两个节流孔流入径向气浮轴承11与气浮主轴的间隙内，形成气膜，实现支撑气浮主轴的作用；各进气压力控制阀3均由控制器控制，测量敏感元件14将检测到的气浮主轴回转运动误差传给控制器，控制器判断气浮主轴回转运动误差超过阈值时给进气压力控制阀3发送补偿信号，进气压力控制阀3改变进气压力对气浮主轴进行运动精度补偿。

作为优选实施例，激光发射器9的光轴与径向气浮轴承11中心轴线垂直并相交；每个激光发射器9的光轴处于径向气浮轴承11对应一个进气区中两个节流孔的中间位置；所有激光发射器9的光轴和所有节流孔的中心轴线共面，以提高测量和补偿的精度。

该基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和运动精度补偿的方法，具体如下：

步骤1、将径向气浮轴承11套置于气浮主轴上，装置固定板1固定安装于机床上，保证气浮主轴回转轴线与径向气浮轴承中心轴线重合。然后，在辅助测量反射台6的各反射面上均绘制一条辅助测量直线，所有辅助测量直线共面；最后，将辅助测量反射台6套置于气浮主轴上，旋转各螺纹孔三内的调心旋钮5，使调心旋钮5尾端压紧在气浮主轴上；辅助测量反射台6固定后要保证两点，以提高测量和补偿的精度：①各调心旋钮5与辅助测量反射台6的反射面相交的刻度一致，从而保证辅助测量反射台6的各反射面相交的点处在气浮主轴中心轴线上；②各激光发射器9的光轴与辅助测量反射台6对应反射面上的辅助测量直线相交。

步骤2、控制器对各测量敏感元件14进行编号(作为优选实施例，各测量敏感元件14沿周向依次顺序编号)；辅助测量反射台6随气浮主轴同步旋转。当各激光发射器9发射的激光经过辅助测量反射台6对应的反射面反射在对应测量敏感元件14的预定位置(说明气浮主轴回转运动误差未超过阈值)时，各激光发射器9发射的激光必然直射在辅助测量反射台6对应反射面的辅助测量直线位置，则控制器判定气浮主轴处于零回转运动误差旋转状态，进气压力控制阀3不改变进入的气体压力，从而径向气浮轴承11的进气压力保持不变。当出现激光发射器9发射的激光经过辅助测量反射台6对应的反射面反射在对应测量敏感元件14上不在预定位置时，说明该激光发射器9发射的激光射在辅助测量反射台6的反射面上时就没有落在辅助测量直线位置处，原因是辅助测量反射台6的反射面受气浮主轴运动误差影响改变了角度，激光在反射面上的入射角度也发生了变化，如图3所示，则此时控制器判定气浮主轴出现回转运动误差，记录预定位置未接收到激光的各测量敏感元件14的编号，并控制与未接收到激光的测量敏感元件14处于同一个测量装置固定支架4上的各进气压力控制阀3调节进气压力，进而调节径向气浮轴承11对应进气区的气体压力，给予气浮主轴对应方向的运动精度补偿。

对气浮主轴进行运动精度补偿时，可以采用测量敏感元件14实时反馈，控制器控制进气压力控制阀3以预设步长不断调节进气压力的方式进行；也可以采用精准补偿算法，具体为：由于激光发射点、激光照射在测量敏感元件上的实际反射点、激光照射在测量敏感元件上的理论反射点、激光发射方向都为已知量，建立坐标系后，结合物理学中的入射角、反射角和法平面，准确计算得到反射面上理论发生反射点和实际发生反射点的位置，从而精确得到主轴回转误差的大小，然后控制器根据主轴回转误差大小控制进气压力控制阀3调节进气压力进行精准补偿，如图6所示。

Claims (10)

1.基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置，包括装置固定板、通气管、进气压力控制阀、测量装置固定支架、轴承固定套筒和径向气浮轴承，其特征在于：还包括调心旋钮、辅助测量反射台、测量敏感元件安装底座、激光发射器安装底座、激光发射器和测量敏感元件；装置固定板的安装平面中心处开设有主轴过孔；装置固定板的安装平面上还开设有沿主轴过孔周向均布的n个通孔和以及沿主轴过孔周向均布的n个螺纹孔组，螺纹孔组所在圆周直径大于通孔所在圆周直径；n≥4；所述的螺纹孔组由呈三角形排布的三个螺纹孔一组成，或由呈阵列排布的四个螺纹孔一组成；轴承固定套筒的n个螺纹孔二与装置固定板的n个通孔分别通过螺栓连接；n个螺纹孔组与n个测量装置固定支架分别连接，连接方式为以下两种方式的一种：①螺纹孔组由三个螺纹孔一组成时，各测量装置固定支架的三个通孔与对应螺纹孔组的三个螺纹孔一分别通过螺栓连接；②螺纹孔组由四个螺纹孔一组成时，各测量装置固定支架的四个通孔与对应螺纹孔组的四个螺纹孔一分别通过螺栓连接；每个测量装置固定支架上都固定有进气压力控制阀、测量敏感元件安装底座和激光发射器安装底座；激光发射器安装底座上固定有激光发射器，激光发射器的光轴平行于装置固定板的安装平面；所有激光发射器的光轴共面设置，且相交于同一点，该点位于轴承固定套筒的中心轴线上；所述的测量敏感元件安装底座上固定有测量敏感元件；同一个测量装置固定支架上，测量敏感元件的测量平面的法线与装置固定板的安装平面之间的夹角A为45～75度；所述的辅助测量反射台呈棱数为n的正棱台形，辅助测量反射台的每个反射面上均开设有螺纹孔三，n个螺纹孔三沿辅助测量反射台的中心轴线均布，每个螺纹孔三与一个调心旋钮通过螺纹连接；辅助测量反射台的反射面与辅助测量反射台的中心轴线之间的夹角也为A/2；每个进气压力控制阀与轴承固定套筒对应的一个进气孔通过一根通气管接通；径向气浮轴承固定套置在轴承固定套筒内；径向气浮轴承通过密封隔离块分隔为n个进气区；径向气浮轴承的每个进气区与轴承固定套筒对应位置的一个进气孔连通；径向气浮轴承的每个进气区开设有间距设置的两个节流孔；各进气压力控制阀均与气泵连接；各进气压力控制阀均由控制器控制，各测量敏感元件的信号输出端均接控制器。

2.根据权利要求1所述基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置，其特征在于：每两个激光发射器归为一组，同组的两个激光发射器的光轴同轴设置。

3.根据权利要求1所述基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置，其特征在于：所述的激光发射器采用准直激光发射器。

4.根据权利要求1所述基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置，其特征在于：夹角A取60度。

5.根据权利要求1所述基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置，其特征在于：径向气浮轴承与轴承固定套筒的固定方式为：径向气浮轴承置于轴承固定套筒的环形槽口内，且径向气浮轴承的两个端面分别由轴承端挡盖和环形槽口的底部轴向限位；轴承端挡盖通过螺钉固定在轴承固定套筒上，且轴承端挡盖与径向气浮轴承的端面之间设有间隙调整垫圈。

6.根据权利要求1所述基于反射原理的气浮主轴回转误差检测及补偿装置，其特征在于：所述激光发射器的光轴与径向气浮轴承中心轴线垂直并相交；每个激光发射器的光轴处于径向气浮轴承对应一个进气区中两个节流孔的中间位置；所有激光发射器的光轴和所有节流孔的中心轴线共面。

7.根据权利要求1至6中任一项所述基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和运动精度补偿的方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤1、将径向气浮轴承套置于气浮主轴上，装置固定板固定安装于机床上，保证气浮主轴回转轴线与径向气浮轴承中心轴线重合；然后，在辅助测量反射台的各反射面上均绘制一条辅助测量直线，所有辅助测量直线共面；最后，将辅助测量反射台套置于气浮主轴上，旋转各螺纹孔三内的调心旋钮，使调心旋钮尾端压紧在气浮主轴上；辅助测量反射台固定后要保证两点，以提高测量和补偿的精度：①各调心旋钮与辅助测量反射台的反射面相交的刻度一致，从而保证辅助测量反射台的各反射面相交的点处在气浮主轴中心轴线上；②各激光发射器的光轴与辅助测量反射台对应反射面上的辅助测量直线相交；

步骤2、控制器对各测量敏感元件进行编号；辅助测量反射台随气浮主轴同步旋转；当各激光发射器发射的激光经过辅助测量反射台对应的反射面反射在对应测量敏感元件的预定位置时，控制器判定气浮主轴处于零回转运动误差旋转状态，进气压力控制阀不改变进入的气体压力，从而径向气浮轴承的进气压力保持不变；当出现激光发射器发射的激光经过辅助测量反射台对应的反射面反射在对应测量敏感元件上不在预定位置时，控制器判定气浮主轴出现回转运动误差，记录预定位置未接收到激光的各测量敏感元件的编号，并控制与未接收到激光的测量敏感元件处于同一个测量装置固定支架上的各进气压力控制阀调节进气压力，进而调节径向气浮轴承对应进气区的气体压力，给予气浮主轴对应方向的运动精度补偿。

8.根据权利要求7所述基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和运动精度补偿的方法，其特征在于：各测量敏感元件沿周向依次顺序编号。

9.根据权利要求7所述基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和运动精度补偿的方法，其特征在于：对气浮主轴进行运动精度补偿时，采用测量敏感元件实时反馈，控制器控制进气压力控制阀以预设步长不断调节进气压力的方式进行。

10.根据权利要求7所述基于反射原理的主轴回转运动误差检测及补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和运动精度补偿的方法，其特征在于：对气浮主轴进行运动精度补偿时，采用精准补偿算法，具体为：由于激光发射点、激光照射在测量敏感元件上的实际反射点、激光照射在测量敏感元件上的理论反射点、激光发射方向都为已知量，建立坐标系后，结合物理学中的入射角、反射角和法平面，计算得到反射面上理论发生反射点和实际发生反射点的位置，从而得到主轴回转误差的大小，然后控制器根据主轴回转误差大小控制进气压力控制阀调节进气压力进行补偿。

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