CN111044242B - 一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置及检测方法 - Google Patents
一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置及检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置及检测方法,属于机床性能检测技术领域。本发明解决了现有技术无法实现超精密静压主轴与导轨刚度准确检测的问题。所述第一基准板上由下到上依次固设有力传感器、气缸及定心支杆,支撑板的底端开设有定心孔,所述定心孔与主轴同轴布置,且定心支杆的顶端与所述定心孔配合,第一基准板上方布置有若干导轨位移传感器,第二基准板上方布置有若干主轴位移传感器,且若干所述导轨位移传感器及若干主轴位移传感器分别绕主轴轴线均布,若干主轴位移传感器分别通过导线连接主轴位移信号采集器,若干导轨位移传感器分别通过导线连接导轨位移信号采集器,力传感器通过导线连接力信号采集器。
Description
技术领域
本发明涉及一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置及检测方法,属于机床性能检测技术领域。
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,这些产业对产品的稳定性和使用性能的要求越来越高,比较典型的就是在激光核聚变系统广泛使用的KDP晶体器件,该晶体由于具有软、脆、易潮解等特性,传统的磨抛等光学加工方法不能用于大口径KDP晶体的超精密加工,目前单点金刚石飞刀切削加工是实现KDP晶体最终加工的主要手段。切削加工是一种复制式加工,超精密机床的精度决定了零件的加工精度。因此,超精密加工机床是KDP晶体超精密加工的核心与关键,其中超精密主轴与导轨是超精密机床的两大核心部件。超精密飞切加工机床是一种专用于KDP晶体加工的超精密机床。超精密飞切加工机床主轴与导轨的性能是直接影响到被加工零件的表面质量和制造精度。主轴与导轨刚度是首要满足的基本性能参数,但是如何实现超精密静压主轴刚度与导轨刚度的准确测量是目前噬待解决的巨大难题。
现有技术主要是加载重物,用位移传感器读取数值进行计算获取,但是由于机床结构特点及操作空间的限制,飞切加工机床主轴刚度的检测一直是难点,其主要的技术难点在于难以实现大载荷量的加载(主轴上端是圆光栅,无法加载,主轴下端是大直径刀盘,向下加载由于受到重物安装固定及导轨在空间上的限制,难以实现大载荷加载,加载重物的质量受限,且搬运加载重物时严重影响超精密传感器读数的准确性)。
发明内容
本发明是为了解决现有技术无法实现超精密静压主轴与导轨刚度准确检测的问题,进而提供了一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置及检测方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置,它包括水平固设在导轨上表面的第一基准板、水平固设在机床主轴顶端的第二基准板以及水平固设在机床刀盘底端的支撑板,所述第一基准板上由下到上依次固设有力传感器、气缸及定心支杆,支撑板的底端开设有定心孔,所述定心孔与主轴同轴布置,且定心支杆的顶端与所述定心孔配合,第一基准板上方布置有若干导轨位移传感器,第二基准板上方布置有若干主轴位移传感器,且若干所述导轨位移传感器及若干主轴位移传感器分别绕主轴轴线均布,若干主轴位移传感器分别通过导线连接主轴位移信号采集器,若干导轨位移传感器分别通过导线连接导轨位移信号采集器,力传感器通过导线连接力信号采集器。
进一步地,第二基准板、主轴、支撑板、定心支杆、气缸、力传感器、第一基准板及导轨由上到下正对布置。
进一步地,所述定心支杆包括螺纹杆及一体固接在螺纹杆一端的钢球,所述定心孔为大端朝下布置的圆锥形孔。
进一步地,气缸与力传感器之间水平固设有转接板。
进一步地,导轨位移传感器及主轴位移传感器的数量均至少为三个。
进一步地,支撑板为圆形板结构,其通过若干螺栓固装在刀盘的底端,且支撑板上的螺栓绕主轴轴线均匀布置。
一种使用上述检测装置的检测方法,它包括如下步骤:
步骤一、在导轨工作台面划线,确定导轨工作台面的中心位置;
步骤二、将第一基准板装设在导轨工作台面上,然后将气缸与力传感器固定连接,并置于第一基准板的顶面中心位置,将定心支杆固装在气缸推杆顶端,最后将支撑板固装在刀盘底端中心位置,保证定心支杆的顶端与所述定心孔配合;
步骤三、将第二基准板装设在主轴顶端,并将若干连接有主轴位移信号采集器的主轴位移传感器均布在第二基准板上且均对准第二基准板设置,将若干连接有导轨位移信号采集器的导轨位移传感器均布在第一基准板上且均对准第一基准板设置;
步骤四、调节气缸的供气压强,力传感器测量得到加载力的大小,到达指定加载力后,停止加压,导轨位移传感器及主轴位移传感器分别获取主轴及导轨加载后的位移信息,经过对应的信号采集和数据处理单元加权处理后得到主轴位移的平均值及导轨位移的平均值;
步骤五、将加载力的变化量除以加载后主轴位移的变化量,得到主轴的刚度值;将加载力的变化量除以加载后导轨位移的变化量,得到导轨的刚度值,完成超精密飞切加工机床静压主轴与导轨刚度同时的高精度测量。
进一步地,步骤四中平均值的获取方法为:
当导轨位移传感器及主轴位移传感器的数量分别为三个时,设导轨位移传感器的编码为1~3号,主轴位移传感器的编码为4~6号,
进一步地,
计算剩余误差
贝塞尔公式计算标准差
如果某个测量值Vd的残差Vd(1≤d≤50)满足|Vd|>3σ,
则剔除数据
同理剔除其余两组数据。
将1~3号传感器所测数据进行求算数平均值计算,得到导轨在某一加载下的平均位移变化量。
进而,由获取到的气缸加载力变化量除以平均的导轨位移变化量,得到导轨的刚度值。
同理得到主轴刚度值。
本发明与现有技术相比具有以下效果:
通过调节气缸的供气压强大小,改变主轴和导轨加载力的大小,避免了重物搬运对高精度位移传感器读数的影响;
通过调节气缸供气压强大小,可获取到250Kg及以上加载,克服了重物安装固定及导轨在空间上的限制,实现了大载荷的加载;
通过一次加载,可同时获取到超精密飞切加工机床静压主轴与导轨的刚度,实现了超精密飞切加工机床静压主轴与导轨刚度同时的高精度测量。
附图说明
图1为本申请的主视示意图(局部剖视,即支撑板及以下结构部分未剖视);
图2为支撑板的立体结构示意图;
图3定心立杆的立体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1~3说明本实施方式,一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置,它包括水平固设在导轨100上表面的第一基准板1、水平固设在机床主轴101顶端的第二基准板2以及水平固设在机床刀盘102底端的支撑板3,所述第一基准板1上由下到上依次固设有力传感器4、气缸5及定心支杆6,支撑板3的底端开设有定心孔3-1,所述定心孔3-1与主轴101同轴布置,且定心支杆6的顶端与所述定心孔3-1配合,第一基准板1上方布置有若干导轨位移传感器7,第二基准板2上方布置有若干主轴位移传感器8,且若干所述导轨位移传感器7及若干主轴位移传感器8分别绕主轴101轴线均布,若干主轴位移传感器8分别通过导线连接主轴位移信号采集器9,若干导轨位移传感器7分别通过导线连接导轨位移信号采集器10,力传感器4通过导线连接力信号采集器。
所述导轨100、主轴101、刀盘102均为超精密飞切机床的一部分,机床还包括床身103及立柱104。所述主轴101为主轴部件的总称。其中刀盘102位于主轴101底端。支撑板3与刀盘102之间通过螺栓固接。
导轨位移传感器7及主轴位移传感器8均可以为接触式位移传感器,也可以为非接触式位移传感器。
通过主轴位移传感器8获取主轴101在加载下的位移,通过导轨位移传感器7获取导轨100工作台在加载下的位移。
每个信号采集器对应连接信号显示器,通过各信号采集器采集及处理对应的位移信号及力信号。各信号采集器及显示器均采用现有技术,在此不再赘述。
力传感器4、力信号采集器及力信号显示器构成力信号采集与处理显示单元;导轨位移传感器7、导轨位移信号采集器10及导轨位移信号显示器构成导轨位移信号采集与处理显示单元;主轴位移传感器8、主轴位移信号采集器9及主轴位移信号显示器构成主轴位移信号采集与处理显示单元。每个传感器对应通过导线将信号输送到对应的信号采集器,经过信号放大与处理后的信号传送至信号显示器进行实时显示。导轨位移传感器7及主轴位移传感器8分别获取主轴101及导轨100加载后的位移信息,经过对应的信号采集和数据处理单元加权处理后得到主轴101位移的平均值及导轨100位移的平均值。
气缸5包含两路气压信号的输入,一路信号用于气缸5加压,使气缸5推杆伸出,通过定心支杆6将力传递到支撑板3,继而传递到超精密飞切加工机床静压主轴101刀盘102上。根据力的相互作用原理,气缸5尾部通过转接板12将力传递至力传感器4,力传感器4将力信号输出的同时进行显示。力传感器4放置于第一基准板1上,同时将作用力作用于导轨100。从而实现超精密飞切加工机床主轴101与导轨100同时承受相同的加载力,方向相反。
第二基准板2、主轴101、支撑板3、定心支杆6、气缸5、力传感器4、第一基准板1及导轨100由上到下正对布置。
所述定心支杆6包括螺纹杆6-1及一体固接在螺纹杆6-1一端的钢球6-2,所述定心孔3-1为大端朝下布置的圆锥形孔。如此设计,螺纹杆6-1螺纹连接在气缸5的推杆顶端中心位置。钢球6-2为标准钢球6-2,其与圆锥形孔配合实现自定心。消除安装误差对测量结果造成的影响。
气缸5与力传感器4之间水平固设有转接板12。如此设计,通过设置转接板12实现气缸5与力传感器4之间的固定连接,气缸5与转接板12之间以及力传感器4与转接板12之间均通过螺栓连接。
导轨位移传感器7及主轴位移传感器8的数量均至少为三个。
支撑板3为圆形板结构,其通过若干螺栓固装在刀盘102的底端,且支撑板3上的螺栓绕主轴101轴线均匀布置。如此设计,保证支撑板3上的定心孔3-1们于主轴101轴线上。
一种使用上述检测装置的检测方法,它包括如下步骤:
步骤一、在导轨100工作台面划线,确定导轨100工作台面的中心位置;
步骤二、将第一基准板1装设在导轨100工作台面上,然后将气缸5与力传感器4固定连接,并置于第一基准板1的顶面中心位置,将定心支杆6固装在气缸5推杆顶端,最后将支撑板3固装在刀盘102底端中心位置,保证定心支杆6的顶端与所述定心孔3-1配合;
步骤三、将第二基准板2装设在主轴101顶端,并将若干连接有主轴位移信号采集器9的主轴位移传感器8均布在第二基准板2上且均对准第二基准板2设置,将若干连接有导轨位移信号采集器10的导轨位移传感器7均布在第一基准板1上且均对准第一基准板1设置;
步骤四、调节气缸5的供气压强,力传感器4测量得到加载力的大小,到达指定加载力后,停止加压,导轨位移传感器7及主轴位移传感器8分别获取主轴101及导轨100加载后的位移信息,经过对应的信号采集和数据处理单元加权处理后得到主轴101位移的平均值及导轨100位移的平均值;
步骤五、将加载力的变化量除以加载后主轴101位移的变化量,得到主轴101的刚度值;将加载力的变化量除以加载后导轨100位移的变化量,得到导轨100的刚度值,完成超精密飞切加工机床静压主轴101与导轨100刚度同时的高精度测量。
步骤四中平均值的获取方法为:
当导轨位移传感器7及主轴位移传感器8的数量分别为三个时,设导轨位移传感器7的编码为1~3号,主轴位移传感器8的编码为4~6号,
计算剩余误差
贝塞尔公式计算标准差
如果某个测量值Vd的残差Vd1≤d≤50满足|Vd|>3σ,
则表示满足这个剩余误差条件的测量到的数据偏差较大,剔除该偏差较大的数据,使最后计算得到的算术平均值更接近实际刚度的真实值。
同理剔除其余两组数据。
将1~3号传感器所测数据进行求算数平均值计算,得到导轨100在某一加载下的平均位移变化量。
进而,由获取到的气缸5加载力变化量除以平均的导轨100位移变化量,得到导轨100的刚度值。
同理得到主轴101刚度值。
Claims (7)
1.一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测方法,其特征在于:采用一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测装置,所述检测装置包括水平固设在导轨(100)上表面的第一基准板(1)、水平固设在机床主轴(101)顶端的第二基准板(2)以及水平固设在机床刀盘(102)底端的支撑板(3),所述第一基准板(1)上由下到上依次固设有力传感器(4)、气缸(5)及定心支杆(6),支撑板(3)的底端开设有定心孔(3-1),所述定心孔(3-1)与主轴(101)同轴布置,且定心支杆(6)的顶端与所述定心孔(3-1)配合,第一基准板(1)上方布置有若干导轨位移传感器(7),第二基准板(2)上方布置有若干主轴位移传感器(8),且若干所述导轨位移传感器(7)及若干主轴位移传感器(8)分别绕主轴(101)轴线均布,若干主轴位移传感器(8)分别通过导线连接主轴位移信号采集器(9),若干导轨位移传感器(7)分别通过导线连接导轨位移信号采集器(10),力传感器(4)通过导线连接力信号采集器;
它包括如下步骤:
步骤一、在导轨(100)工作台面划线,确定导轨(100)工作台面的中心位置;
步骤二、将第一基准板(1)装设在导轨(100)工作台面上,然后将气缸(5)与力传感器(4)固定连接,并置于第一基准板(1)的顶面中心位置,将定心支杆(6)固装在气缸(5)推杆顶端,最后将支撑板(3)固装在刀盘(102)底端中心位置,保证定心支杆(6)的顶端与所述定心孔(3-1)配合;
步骤三、将第二基准板(2)装设在主轴(101)顶端,并将若干连接有主轴位移信号采集器(9)的主轴位移传感器(8)均布在第二基准板(2)上且均对准第二基准板(2)设置,将若干连接有导轨位移信号采集器(10)的导轨位移传感器(7)均布在第一基准板(1)上且均对准第一基准板(1)设置;
步骤四、调节气缸(5)的供气压强,力传感器(4)测量得到加载力的大小,到达指定加载力后,停止加压,导轨位移传感器(7)及主轴位移传感器(8)分别获取主轴(101)及导轨(100)加载后的位移信息,经过对应的信号采集和数据处理单元加权处理后得到主轴(101)位移的平均值及导轨(100)位移的平均值;
步骤五、将加载力的变化量除以加载后主轴(101)位移的平均值,得到主轴(101)的刚度值;将加载力的变化量除以加载后导轨(100)位移的平均值,得到导轨(100)的刚度值,完成超精密飞切加工机床主轴(101)与导轨(100)刚度同时的高精度测量;
进一步地,步骤四中平均值的获取方法为:
当导轨位移传感器(7)及主轴位移传感器(8)的数量分别为三个时,设导轨位移传感器(7)的编码为1~3号,主轴位移传感器(8)的编码为4~6号,
2.根据权利要求1所述的一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测方法,其特征在于:第二基准板(2)、主轴(101)、支撑板(3)、定心支杆(6)、气缸(5)、力传感器(4)、第一基准板(1)及导轨(100)由上到下正对布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测方法,其特征在于:所述定心支杆(6)包括螺纹杆(6-1)及一体固接在螺纹杆(6-1)一端的钢球(6-2),所述定心孔(3-1)为大端朝下布置的圆锥形孔。
4.根据权利要求3所述的一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测方法,其特征在于:气缸(5)与力传感器(4)之间水平固设有转接板(12)。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测方法,其特征在于:导轨位移传感器(7)及主轴位移传感器(8)的数量均至少为三个。
6.根据权利要求5所述的一种超精密飞切机床主轴与导轨刚度检测方法,其特征在于:支撑板(3)为圆形板结构,其通过若干螺栓固装在刀盘(102)的底端,且支撑板(3)上的螺栓绕主轴(101)轴线均匀布置。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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