CN112720068B - 一种超精密机床主轴动平衡测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种超精密机床主轴动平衡测量方法；采用的技术方案是：包括以下步骤：构建机床X轴进给系统的机电模型；获取机床主轴转速稳定后的主轴实际角度、X轴实际位置和X轴电机交向电流；根据前述参数和模型得出主轴动不平衡对进给系统的扰动力，获得主轴实际角度与动不平衡对X轴进给系统扰动力之间的对应关系；对多圈的扰动力数据在相同的主轴实际角度下进行滤波处理；根据滤波处理后的数据，计算出扰动力的最大值和相应的主轴位置以及扰动力的最小值和相应的主轴位置，并计算出主轴动不平衡数据。本发明能够在不增加成本的基础上精确测量出机床主轴动不平衡，具有操作简单、检测精度高的特点。

Description

一种超精密机床主轴动平衡测量方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种超精密机床主轴动平衡测量方法。

背景技术

主轴动不平衡是引起主轴振动的主要因素，直接影响到超精密机床的加工精度。在使用超精密机床加工之前，需要对主轴的动不平衡进行测量并补偿，以通过减少主轴的动不平衡量从而消除对加工面型精度和表面粗糙度的不利影响。现有技术中，主要通过动平衡仪对主轴的动平衡进行测量，其方法主要是在主轴动不平衡敏感方向安装加速度传感器和主轴角度传感器，在主轴匀速运动情况下，采集主轴实际运动角度和动不平衡造成加速度的数据，进而估计出主轴的动不平衡特性。但是，现有动平衡仪的测量精度（最高为G0.4）难以满足当前超精密加工领域的需求，且在实际应用过程中需要安装额外的传感器，操作复杂且成本较高。

发明内容

针对上述现有超精密机床主轴动平衡检测技术精度低、操作复杂和成本较高的技术问题；本发明提供了一种超精密机床主轴动平衡测量方法，能够在不增加成本的基础上精确测量出机床主轴动不平衡，具有操作简单、检测精度高的特点。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超精密机床主轴动平衡测量方法，包括以下步骤：

构建机床X轴进给系统的机电模型；

获取机床主轴转速稳定后的主轴实际角度、X轴实际位置和X轴电机交向电流；

根据主轴实际角度、X轴实际位置和X轴电机交向电流，由X轴进给系统的机电模型测得主轴动不平衡对x轴进给系统的扰动力，获得主轴实际角度与动不平衡对X轴进给系统扰动力之间的关系；

对多圈的扰动力数据在相同的主轴实际角度下进行平滑滤波处理；

根据滤波处理后的主轴实际角度与动不平衡扰动力的数据，计算出扰动力的最大值和相应的主轴实际角度以及扰动力的最小值和相应的主轴实际角度，并计算出主轴动不平衡数据。

具体而言，所述机床X轴进给系统的机电模型为：

式中，Iq为电机交向电流输入，x为X轴进给系统的位置输出，m为X轴进给系统的质量，Ki为电机力常数，B为x轴进给系统的阻尼，Fd为主轴动不平衡对X轴进给系统的扰动力。

进一步的，对车床X轴进给系统采用二进制伪随机序列或正弦扫频信号作为输入信号对系统进行激励，其中X轴进给系统传递函数：

式中，s为拉普拉斯算子，m为X轴整体质量，B为X轴导轨粘滞阻尼系数，K_i为直线电机电流力矩系数。

进一步的，采用最小二乘法对车床X轴进给系统进行辨识，辨识出的X轴进给系统的传递函数为：

式中，K_in为辨识出K_i的名义系数,m_n为辨识出m的名义系数，B_n为辨识出B的名义系数。

具体而言，所述主轴动不平衡对x轴进给系统的扰动力F_d的计算公式为：

式中，τ为扰动观测器的滤波时间常数，XAct为X轴实际位置、IqAct为X轴电机交向电流。

具体而言，所述滤波处理为均值滤波或中值滤波。

具体而言，所述动不平衡数据的计算公式为：

式中，

为动不平衡方向，

为主轴编码器对齐补偿角度，

为动不平衡量，

为测量系数，F′max为F′d的最大值，Smax为F′d的最大值对应的主轴实际角度，F′min为F′d的最小值，Smin为F′d的最小值对应的主轴实际角度，F′d为Fd平滑滤波处理后的值。

进一步的，若主轴编码器对齐补偿角度和测量系数为未知量，则对超精密车床在确定位置增加设定重量的配重主动造成主轴动不平衡；通过分别测试增加前和增加后两次动不平衡结果，标定出动不平衡数据的计算公式中的主轴编码器对齐补偿角度和测量系数。

本发明的有益效果：

1、本发明根据实时采集的进给轴光栅尺位置和电机交向电流数据，同时结合主轴编码器角度信号，求解出主轴存在的动不平衡量；无需增加额外的加速度传感器，只需利用超精密机床数控系统的数据采集功能，即可以实现对主轴动不平衡量的测量；

2、本发明通过对机床x轴进给系统机电模型进行辨识，将旋转中主轴动不平衡对机床x轴进给系统造成的扰动，通过基于模型的扰动观测器进行观测，观测出来的扰动力具有实际的物理意义，与主轴的动不平衡量之间存在明确的线性关系；因此本发明的方法仅需一次实验标定，便能够定量地求解出主轴动不平衡的方向和大小，无需通过多次测量和迭代补偿的方法即可消除动不平衡，解决了传统方法中操作复杂的问题；

3、本发明所记载的方法基于x轴进给系统的机电模型，因此计算结果不受x轴进给系统伺服算法及其算法参数变化的影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明二进制伪随机序列激励系统，图中方型曲线为电机指令lq、锯齿形曲线为电机反馈速度v；

图2为本发明机床主轴位置与动不平衡扰动力关系图；

图3为本发明均值滤波后主轴位置与动不平衡扰动力关系图；

图4为一种超精密机床的结构示意图；

图5为测量主轴动平衡的控制机构示意图；

图6为本发明的流程框图。

附图中标记及对应的构件名称：

1、X轴进给系统；2、主轴系统；3、真空吸盘；4、工件；5、刀具；6、Z轴进给系统；7、机床床身；8、X轴光栅读数头；9、X轴光栅尺；10、X轴直线电机动子；11、主轴圆光栅；12、主轴电机转子；13、主轴光栅读数头；14、主轴伺服驱动器；15、X轴伺服驱动器；16、PMAC运动控制器；17、开放式CNC系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种超精密机床主轴动平衡测量方法，包括以下步骤：

S1、构建机床X轴进给系统的机电模型；

根据对超精密车床X轴进给系统的测试，得出超精密车床X轴进给系统的机电模型为：

式中，Iq为电机交向电流输入，X为X轴进给系统的实际位置，m为x轴进给系统的质量，Ki为电机力常数，B为x轴进给系统的阻尼，Fd为主轴动不平衡对X轴进给系统的扰动力。

针对机床X轴进给系统采用二进制伪随机序列（或正弦扫频信号）作为输入信号对系统进行激励，其中X轴进给系统传递函数：

式中，s为拉普拉斯算子，m为X轴整体质量，B为X轴导轨粘滞阻尼系数，K_i为直线电机电流力矩系数。

采用最小二乘法对车床X轴进给系统进行辨识，辨识出的X轴进给系统的传递函数为：

式中，K_in为辨识出K_i的名义系数，m_n为辨识出m的名义系数，B_n为辨识出B的名义系数；

辨识出的X轴进给系统的传递函数为：

S2、在机床x轴进给系统处于稳定静止状态时，旋转主轴；待主轴转速稳定后，利用数控系统的数据采集功能，实时采集主轴实际角度SAct、X轴实际位置XAct和X轴电机交向电流IqAct。

基于步骤S1获取的X轴进给系统的机电模型，并根据XAct和IqAct，得出主轴动不平衡对x轴进给系统的扰动力Fd为：

式中，τ是扰动观测器的滤波时间常数。

S3、基于步骤S2获取到主轴实际角度SAct与主轴动不平衡对X轴进给系统扰动力Fd之间的相互关系；如图2所示，对主轴旋转多圈的Fd数据在相同的主轴实际位置（主轴实际角度）下进行均值滤波（或中值滤波），滤波结果为F′d如图3所示。

S4、基于步骤S3处理后的主轴实际位置SAct与动不平衡扰动力的数据F′d，计算出F′d的最大值F′max和相应的主轴位置Smax，以及计算出F′d的最小值F′min和相应的主轴位置Smin，从而得到主轴动不平衡数据为：

式中，

为动不平衡方向，

为主轴编码器对齐补偿角度，

为动不平衡量，

为测量系数。

能够理解的是，若主轴编码器对齐补偿角度和测量系数为已知参数，则可通过上述的计算公式计算得出主轴动不平衡数据；若主轴编码器对齐补偿角度和测量系数为未知参数，则对超精密车床在确定位置增加设定重量的配重主动造成主轴动不平衡，并对主轴编码器对齐补偿角度赋值为0、测量系数赋值为1，通过上述步骤分别测试增加前和增加后两次动不平衡结果，从而标定出实际的主轴编码器对齐补偿角度

和测量系数

。

应当说明的是，本实施例中所的超精密机床为超精密车床、超精密磨床、超精密飞切床中的一种。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超精密机床主轴动平衡测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建机床X轴进给系统的机电模型；

获取机床主轴转速稳定后的主轴实际角度、X轴实际位置和X轴电机交向电流；

根据主轴实际角度、X轴实际位置和X轴电机交向电流，由X轴进给系统的机电模型观测出主轴动不平衡对X轴进给系统的扰动力，获得主轴实际角度与主轴动不平衡对X轴进给系统扰动力之间的对应关系；

对多圈的扰动力数据在相同的主轴实际角度下进行平滑滤波处理；

根据滤波处理后的主轴实际角度与主轴动不平衡对x轴进给系统扰动力的数据，计算出扰动力的最大值和相应的主轴实际角度以及扰动力的最小值和相应的主轴实际角度，并计算出主轴动不平衡数据，所述主轴动不平衡数据的计算公式为：

式中，

为动不平衡方向，

为主轴编码器对齐补偿角度，

为动不平衡量，

为测量系数，F′max为F′d的最大值，Smax为F′d的最大值对应的主轴实际角度，F′min为F′d的最小值，Smin为F′d的最小值对应的主轴实际角度，F′d为Fd平滑滤波处理后的值；

其中，所述机床X轴进给系统的机电模型为：

式中，Iq为电机交向电流输入，x为x轴进给系统的位置输出，m为x轴进给系统的质量，Ki为电机力常数，B为进给系统的阻尼，Fd为主轴动不平衡对X轴进给系统的扰动力；

其中，若主轴编码器对齐补偿角度和测量系数为未知量，则对超精密车床在确定位置增加设定重量的配重主动造成主轴动不平衡；

通过分别测试增加前和增加后两次动不平衡结果，标定出动不平衡数据的计算公式中的主轴编码器对齐补偿角度和测量系数。

2.根据权利要求1所述的超精密机床主轴动平衡测量方法，其特征在于，对车床X轴进给系统采用二进制伪随机序列或正弦扫频信号作为输入信号对系统进行激励，其中X轴进给系统传递函数：

式中，s为拉普拉斯算子，m为X轴整体质量，B为X轴导轨粘滞阻尼系数，K_i为直线电机电流力矩系数。

3.根据权利要求2所述的超精密机床主轴动平衡测量方法，其特征在于，采用最小二乘法对车床X轴进给系统进行辨识，辨识出的X轴进给系统的传递函数为：

式中，K_in为辨识出K_i的名义系数,m_n为辨识出m的名义系数，B_n为辨识出B的名义系数。

4.根据权利要求3所述的超精密机床主轴动平衡测量方法，其特征在于，所述主轴动不平衡对X轴进给系统的扰动力F_d的计算公式为：

式中，τ为扰动观测器的滤波时间常数，XAct为X轴实际位置、IqAct为X轴电机交向电流。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的超精密机床主轴动平衡测量方法，其特征在于，所述滤波处理为均值滤波或中值滤波。

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