CN115541225B - 一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统，包括：通过径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值，通过主轴增量式旋转编码器采集主轴轴线的正弦转速信号；位置数据信号传输转换装置将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。本发明数据采集准确、可靠性高，适用于超精密机床主轴精度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程技术领域，更具体的说是涉及一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统。
背景技术
主轴精度是反映机床性能的主要指标之一，主轴回转误差、位置精度是反映主轴动态性能好坏的关键指标,也是影响机床加工精度的重要因素之一。
目前工程上精密主轴运动精度的检测与评价装置，一般是采用标准球、高精密电容位移传感器、激光转速测速计、高速采集卡等器件搭建的主轴精度误差分析平台，对主轴旋转状态下的误差运动信号、位置和速度信号进行采集。这种精密主轴运动精度的检测与评价方法，应用于精密级主轴是完全可以的，评价的径向误差精度范围在0.5至100μm。但是对于更高精度的超精密级别的主轴，径向误差精度检测评价范围在5-12.5nm，要求精确的转速周期信号，及纳米级的主轴轴线平均线和标准球球心重合。而目前的数据采集技术不能满足上述要求，主要有以下2个问题：
第一个问题，实时采集的转速数据失真。
目前检测与评价方法的转速信号采集，是通过激光转速测速计实时采集转速数据，原理为当激光照射在旋转主轴的定向反射材料上时，会获得返回光束，激光转速计的接收系统接收到反射光线后会产生脉冲信号，以此来记录实时转速。在实际操作中，激光转速测速计采集的数据经常存在误差，对于纳米级别的检测标准，足以导致检测结果超差。
第二个问题，进行主轴回转误差检测时，需调整标准球球心与主轴轴线同心，标准球球心和主轴轴线的同心越好，得到的回转误差评价结果越好。但是，主轴回转误差分析仪接受激光测速计的主轴转速数据时，要求标准球球心和主轴轴线的必须有偏心量，此偏心量值是通过径向位移传感器测得的，偏心量值过小主轴回转误差分析不接受激光测速计采集的转速数据。
这样，出现一个矛盾的技术问题：偏心量值调整得越小，可得到好的主轴回转误差分析评价结果；偏心量值调整得太小，主轴回转误差分析仪无法正常采集转速数据。
要解决以上两个问题，需要着手从位置和速度的数据采集根源解决。因此，如何提供一种不采用激光测速计超精密机床主轴在线精度分析方法与系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统，满足了数控系统采用模拟量的控制需求，同时满足了测试系统采用数字信号，也解决了现有技术采用激光转速测速计的弊端。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超精密机床主轴在线精度分析方法，包括：
通过径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值，并发送给主轴回转误差分析仪，通过主轴增量式旋转编码器采集主轴轴线的正弦转速信号；
位置数据信号分线装置将正弦转速信号分别发送至数控系统和位置数据信号传输转换装置；
数控系统通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；
位置数据信号传输转换装置将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。
优选地，主轴回转误差分析仪具体实现过程为：
主轴回转误差分析仪通过转速计算得到单位时间内的主轴旋转圈数；
通过每一圈转角位置信息分别与主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值相对应，得到单转径向回转运动轨迹和单转轴向回转运动轨迹；
基于最小二乘法，将单转径向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转径向回转精度，将单转轴向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转轴向回转精度；
通过主轴旋转圈数，计算每一圈对应的单转径向回转精度和单转轴向回转精度，并分别对主轴旋转圈数对应的多个单转径向回转精度和多个单转轴向回转精度均方根值，计算得到主轴最终的径向回转精度和轴向回转精度。
一种超精密机床主轴在线精度分析系统，包括：径向电容位移传感器、轴向电容位移传感器、主轴增量式旋转编码器、位置数据信号分线装置、位置数据信号传输转换装置、数控系统和误差分析仪；
径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别固定在主轴轴线径向方向和轴向方向，用于采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值；
主轴增量式旋转编码器固定在主轴端，用于采集主轴轴线正弦的转速信号；
数控系统用于通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；
位置数据信号传输转换装置用于将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。
优选地，主轴回转误差分析仪具体实现过程为：
主轴回转误差分析仪通过转速计算得到单位时间内的主轴旋转圈数；
通过每一圈转角位置信息分别与主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值相对应，得到单转径向回转运动轨迹和单转轴向回转运动轨迹；
基于最小二乘法，将单转径向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转径向回转精度，将单转轴向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转轴向回转精度；
通过主轴旋转圈数，计算每一圈对应的单转径向回转精度和单转轴向回转精度，并分别对主轴旋转圈数对应的多个单转径向回转精度和多个单转轴向回转精度均方根值，计算得到主轴最终的径向回转精度和轴向回转精度。
优选地，主轴增量式旋转编码器包括光电码盘、光电发射器和光电接收器，光电码盘安装于主轴回转体上，随主轴一同旋转运动，光电发射器和光电接收器安装于主轴箱固定位置；光电码盘圆周上有均匀的环形明、暗的刻线，光电发射器用于将光线照射在运动的光电码盘上，光电码盘再将此路光线反射回光电接收器。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统，数据采集准确、可靠性高，适用于超精密机床主轴精度的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种超精密机床主轴在线精度分析方法流程图。
图2附图为本发明提供的一种超精密机床主轴在线精度分析系统结构示意图。
图3附图为本发明提供的一种超精密机床主轴在线精度分析系统连接关系原理图。
其中，1、主轴，2、标准球，3、径向位移传感器，4、轴向位移传感器，5、主轴增量式旋转编码器，501、光电码盘，502、光电发射器，503、光电接收器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种超精密机床主轴在线精度分析方法，如图1所示，包括：
通过径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值，并发送给主轴回转误差分析仪，通过主轴增量式旋转编码器采集主轴轴线的正弦转速信号；
位置数据信号分线装置将正弦转速信号分别发送至数控系统和位置数据信号传输转换装置；
数控系统通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；数控系统的设定值，包括具体数值和精度范围，例如设定角度值30°，进度范围±0.05°，主轴实时转角位置只要在29.95-30.05°之间，数控系统即认为不超差，也不纠偏。转速设定是整数值，设定精度为1，主轴实时转速差1转，数控系统也会进行纠偏。数控系统可完成模拟主轴的定位控制(1024p/rev)，控制精度最高可达8192p/rev；
位置数据信号传输转换装置，也即A/D转换单元，将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。
进一步，主轴增量式旋转编码器采集安装在主轴端的光栅数据。主轴增量式旋转编码器包括旋转的光电码盘和固定的光电发射接收器，光电码盘设置在主轴上，其上有环形明、暗的刻线，由主轴箱上固定的光电发射器和光电接收器读取。双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向；通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位，单位时间内的零位脉冲数量，即可采集主轴的转速值。
编码器以每旋转360度提供多少的明或暗刻线称为分辨率，或直接称多少线，即可采集主轴的位置参数。
本发明实施例公开了一种超精密机床主轴在线精度分析系统，如图2、3所示，包括：径向电容位移传感器3、轴向电容位移传感器4、主轴增量式旋转编码器5、位置数据信号分线装置、位置数据信号传输转换装置、数控系统和误差分析仪；
径向电容位移传感器3和轴向电容位移传感器4分别固定在主轴轴线径向方向和轴向方向，用于采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值；
主轴增量式旋转编码器5固定在主轴端，用于采集主轴轴线正弦的转速信号；
数控系统用于通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；
位置数据信号传输转换装置用于将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。
进一步，将标准球2安装于主轴1前端，随后将轴向位移传感器4、径向位移传感器3分别安装在标准球径向x轴、y轴的检测方向上，采集主轴高速运动下的轴向位移信号和径向位移信号，依据检验标准进行处理与分析，根据得出的结果对主轴精度进行评价。
进一步，主轴增量式旋转编码器5包括光电码盘501、光电发射器502和光电接收器503，光电码盘501安装于主轴回转体上，随主轴一同旋转运动；光电发射器502和光电接收器503安装于主轴箱固定位置，不随主轴杆旋转。光电码盘501圆周上有均匀的环形明、暗的刻线，光电发射器502将光线照射在运动的光电码盘上，光电码盘再将此路光线反射回光电接收器503。通过得到光路信号的相位差，获取主轴实时转角位置，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位，单位时间内的零位脉冲数量，即可采集主轴的转速值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种超精密机床主轴在线精度分析方法，其特征在于，包括：
通过径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值，并发送给主轴回转误差分析仪，通过主轴增量式旋转编码器采集主轴轴线的正弦转速信号；
位置数据信号分线装置将正弦转速信号分别发送至数控系统和位置数据信号传输转换装置；
数控系统通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；
位置数据信号传输转换装置将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度；
主轴回转误差分析仪具体实现过程为：
主轴回转误差分析仪通过转速计算得到单位时间内的主轴旋转圈数；
通过每一圈转角位置信息分别与主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值相对应，得到单转径向回转运动轨迹和单转轴向回转运动轨迹；
基于最小二乘法，将单转径向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转径向回转精度，将单转轴向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转轴向回转精度；
通过主轴旋转圈数，计算每一圈对应的单转径向回转精度和单转轴向回转精度，并分别对主轴旋转圈数对应的多个单转径向回转精度和多个单转轴向回转精度均方根值，计算得到主轴最终的径向回转精度和轴向回转精度。
2.一种超精密机床主轴在线精度分析系统，其特征在于，包括：径向电容位移传感器、轴向电容位移传感器、主轴增量式旋转编码器、位置数据信号分线装置、位置数据信号传输转换装置、数控系统和误差分析仪；
径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别固定在主轴轴线径向方向和轴向方向，用于采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值；
主轴增量式旋转编码器固定在主轴端，用于采集主轴轴线正弦的转速信号；
数控系统用于通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；
位置数据信号传输转换装置用于将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度；
主轴回转误差分析仪具体实现过程为：
主轴回转误差分析仪通过转速计算得到单位时间内的主轴旋转圈数；
通过每一圈转角位置信息分别与主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值相对应，得到单转径向回转运动轨迹和单转轴向回转运动轨迹；
基于最小二乘法，将单转径向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转径向回转精度，将单转轴向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转轴向回转精度；
通过主轴旋转圈数，计算每一圈对应的单转径向回转精度和单转轴向回转精度，并分别对主轴旋转圈数对应的多个单转径向回转精度和多个单转轴向回转精度均方根值，计算得到主轴最终的径向回转精度和轴向回转精度。
3.根据权利要求2所述的一种超精密机床主轴在线精度分析系统，其特征在于，主轴增量式旋转编码器包括光电码盘、光电发射器和光电接收器，光电码盘安装于主轴回转体上，随主轴一同旋转运动；光电发射器和光电接收器安装于主轴箱固定位置；光电码盘圆周上有均匀的环形明、暗的刻线，光电发射器用于将光线照射在运动的光电码盘上，光电码盘再将此路光线反射回光电接收器。
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