CN204882043U - 一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，包括伺服电机、静压主轴、横梁支撑板、主轴轴套和机床横梁，静压主轴从上至下依次同轴设置有输入端部件、上止推盘、轴心和下止推盘，主轴轴套设在轴心外侧，静压主轴的顶端设置有高精度标准平晶；伺服电机的转子设置在输入端部件外侧上端，电机定子通过机壳与机床横梁支撑板相连，下止推盘下方的微进给刀架设有金刚石刀具，横梁支撑板顶端通过龙门支架安装有激光动态干涉仪，激光动态干涉仪上连接有干涉仪激光源模块、计算机以及干涉仪遥控器。该装置操作简单，测量结果准确可靠，测量精度高，不受实验环境影响，能实现对纳米级精度直驱式超精密静压主轴的动态性能在线测量。

Description

一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置

技术领域

本实用新型涉及静压主轴性能测试技术领域，具体是一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置。

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，对产品的稳定性和使用性能的要求越来越高，必须提高产品零部件加工的表面质量和制造精度。超精密加工机床是超精密加工领域的核心与关键，其中超精密主轴是超精密机床的核心部件，超精密主轴的动态性能直接影响到被加工零件的表面质量和制造精度。由于现有的用于测试静压主轴运动精度的立式机床本身存在结构限制，因此对静压主轴动态运动性能的在线测试存在很多缺点，使得不能反应超精密主轴在实际工作过程中的真实状态和动态性能；而且测量过程中易受实验环境的干扰，如磁干扰、机床震动等等，从而导致测试的结果准确性不高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，包括伺服电机、静压主轴、横梁支撑板、主轴轴套、机床横梁、微进给刀架和金刚石刀具，所述静压主轴从上至下依次同轴设置有输入端部件、上止推盘、轴心和下止推盘，输入端部件通过螺栓安装在上止推盘上，所述上止推盘、轴心和下止推盘通过螺栓连接，所述主轴轴套设置在轴心外侧，所述静压主轴的顶端设置有高精度标准平晶；伺服电机包括电机定子、电机转子和机壳，电机转子安装在输入端部件外侧上端，电机定子与电机转子对应设置，电机定子通过机壳与机床横梁支撑板相连，横梁支撑板固定安装在机床横梁上；所述主轴轴套通过螺栓直接固定在机床横梁上；所述微进给刀架安装在下止推盘的下方，所述金刚石刀具安装在微进给刀架下端，微进给刀架下端的下方设有真空吸盘；所述横梁支撑板的顶端固定安装有龙门支架，龙门支架的内部一侧安装有激光动态干涉仪，激光动态干涉仪上连接有干涉仪激光源模块和计算机，干涉仪激光源模块上连接有干涉仪遥控器。

作为本实用新型进一步的方案：所述激光动态干涉仪为对振动不敏感的激光干涉仪，测量模式采用高速光学相位传感器，最高曝光时间1μs，RMS重复性小于0.633nm，RMS精度小于1.25nm。

作为本实用新型进一步的方案：所述高精度标准平晶为光学平晶，面形精度PV值小于λ/50，其中λ=0.633μm，表面粗糙度RMS值小于2nm。

作为本实用新型再进一步的方案：所述静压主轴采用超精密直驱式静压主轴。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该装置操作简单，测量结果准确可靠，测量精度高，不受实验环境的影响，可以实现对纳米级精度直驱式超精密静压主轴的动态性能在线测量；本实用新型可以实现对处于实际加工状态下的超精密静压主轴的动态性能进行实时在线测量，不影响超精密机床的加工过程，同时测量结果能反映超精密主轴实际工作中的真实状态和动态性能；在测量中采用激光动态干涉仪不会对主轴的运行状态造成影响。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式的整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

具体实施方式一

请参阅图1，本实用新型实施例中，一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，包括伺服电机、静压主轴、横梁支撑板8、主轴轴套11、机床横梁13、微进给刀架14和金刚石刀具15，静压主轴采用超精密直驱式静压主轴，静压主轴从上至下依次同轴设置有输入端部件7、上止推盘9、轴心10和下止推盘12，输入端部件7通过螺栓安装在上止推盘9上，上止推盘9、轴心10和下止推盘12通过螺栓连接，主轴轴套11设置在轴心10外侧，主轴轴套11和静压主轴之间通入压缩空气或压力油以实现近零摩擦传动。

伺服电机包括电机定子4、电机转子5和机壳6，电机转子5安装在输入端部件7外侧上端，电机定子4与电机转子5对应设置，电机定子4通过机壳6与机床横梁支撑板8相连，横梁支撑板8固定安装在机床横梁13上；主轴轴套11通过螺栓直接固定在机床横梁13上；微进给刀架14安装在下止推盘12的下方，金刚石刀具15安装在微进给刀架14下端，微进给刀架14下端的下方设有真空吸盘17。

横梁支撑板8的顶端固定安装有龙门支架3，采用龙门支架3可以提高支撑刚度，避免由于支架变形对测量结果精度造成影响；静压主轴的顶端设置有高精度标准平晶2，龙门支架3的内部一侧安装有激光动态干涉仪1，激光动态干涉仪1上连接有干涉仪激光源模块20和计算机18，干涉仪激光源模块20上连接有干涉仪遥控器19，计算机18实现测量图像的分析与处理操作。

由激光动态干涉仪1、干涉仪激光源模块20、计算机18、干涉仪遥控器19和高精度标准平晶2组成测量系统，由于测量系统位于机床主轴系统的后端部，而机床的加工过程是在主轴的下端部进行，两者相互独立，互不影响，可以实现在加工的同时对主轴的动态性能进行测量；同时可以将测量结果和工件加工表面质量检测结果相互对照，方便地实现主轴动态性能对工件加工表面质量的影响分析。

本实用新型用于测试静压主轴运动精度的测试方法是在立式超精密机床静压主轴的输入端部件7的上端面安装高精度标准平晶2作为测量基准，采用激光动态干涉仪1测量并获取超精密静压主轴旋转时高精度标准平晶表面2的实时图像，将动态干涉仪采集的图像送入计算机18进行图像分析与处理，获得主轴回转误差数值，从而实现主轴动态回转精度的在线测量。

本实用新型用于测试静压主轴运动精度具体实现过程为：

步骤1：安装测量基准平晶，将高精度标准平晶2安装在超精密机床静压主轴的输入端部件7的上端面上，高精度标准平晶2通过专用装夹基座进行固定，实现标准平晶的固定与微调整；

步骤2：安装激光动态干涉仪1，首先将龙门支架3固定在机床横梁支撑板8上，其次将五维调整工作台固定安装在龙门支架3上，再将激光动态干涉仪1固定安装在五维调整支架上；

步骤3：调节测量初始位置及间隙，缓缓转动机床的静压主轴，调整激光动态干涉仪1与高精度标准平晶2之间的相对位置，使机床静压主轴旋转时激光动态干涉仪1与高精度标准平晶2的间隙控制在激光动态干涉仪1的测量量程范围内；然后调整干涉仪五维工作台使干涉仪前端镜头正对标准测试样件；

步骤4：调节动态干涉仪，运行激光动态干涉仪1，在干涉仪镜头前1cm处放置一张不透光且有一个2～3mm孔的卡片，调节连接在激光源模块20干涉仪遥控器19上的焦距调整旋钮，直到卡或基准的边缘在其最清晰的焦点，使投射到标准平晶表面的反射光能够原路返回干涉仪镜头；

步骤5：测量，运行立式超精密机床的静压主轴系统，利用激光动态干涉仪1实时获取高精度标准平晶2表面的图像，从而完成超精密静压主轴动态回转精度的在线测试操作。

具体实施方式二

结合图1说明本实施方式，本实施方式的激光动态干涉仪1为对振动不敏感的泰曼格林型激光干涉仪，测量模式采用高速光学相位传感器，采集速率＞10帧/s，4000张干涉图/帧，最低曝光时间30μs，最高曝光时间1μs，RMS重复性<0.633nm，RMS精度<1.25nm。

具体实施方式三

结合图1说明本实施方式，本实施方式的高精度标准平晶2为光学平晶，面形精度PV值小于λ/50，其中λ=0.633μm，表面粗糙度RMS值小于2nm。

具体实施方式四

本实施方式的高精度标准平晶2表面经过镀膜处理，所镀膜为金属膜，所镀金属为金、银、铜或镍；其它组成和连接关系与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五

结合图1说明本实施方式，本实施方式的高精度标准平晶2表面经过镀膜处理，镀膜采用真空蒸镀的方式，使金属膜在光学平晶表面分布均匀，镀膜过程不影响标准平晶的面形精度和表面粗糙度，不会造成光学平晶表面损伤；其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六

结合图1说明本实施方式，本实施方式中，所述立式超精密直驱式静压主轴的驱动电机为高精度交流永磁无刷电机，电机转子直接与静压主轴的转动部分固连，中间没有柔性联接单元，以提高静压主轴系统的旋转精度；其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七

结合图1说明本实施方式，本实施方式中，所述立式超精密直驱式静压主轴的驱动电机为高精度直流永磁无刷电机，电机转子直接与静压主轴的转动部分固连，中间没有柔性联接单元，以提高静压主轴系统的旋转精度；其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，包括伺服电机、静压主轴、横梁支撑板（8）、主轴轴套（11）、机床横梁（13）、微进给刀架（14）和金刚石刀具（15），其特征在于，所述静压主轴从上至下依次同轴设置有输入端部件（7）、上止推盘（9）、轴心（10）和下止推盘（12），输入端部件（7）通过螺栓安装在上止推盘（9）上，所述上止推盘（9）、轴心（10）和下止推盘（12）通过螺栓连接，所述主轴轴套（11）设置在轴心（10）外侧，所述静压主轴的顶端设置有高精度标准平晶（2）；伺服电机包括电机定子（4）、电机转子（5）和机壳（6），电机转子（5）安装在输入端部件（7）外侧上端，电机定子（4）与电机转子（5）对应设置，电机定子（4）通过机壳（6）与机床横梁支撑板（8）相连，横梁支撑板（8）固定安装在机床横梁（13）上；所述主轴轴套（11）通过螺栓直接固定在机床横梁（13）上；所述微进给刀架（14）安装在下止推盘（12）的下方，所述金刚石刀具（15）安装在微进给刀架（14）下端，微进给刀架（14）下端的下方设有真空吸盘（17）；所述横梁支撑板（8）的顶端固定安装有龙门支架（3），龙门支架（3）的内部一侧安装有激光动态干涉仪（1），激光动态干涉仪（1）上连接有干涉仪激光源模块（20）和计算机（18），干涉仪激光源模块（20）上连接有干涉仪遥控器（19）。

2.根据权利要求1所述的用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，其特征在于，所述激光动态干涉仪（1）为对振动不敏感的激光干涉仪，测量模式采用高速光学相位传感器，最高曝光时间1μs，RMS重复性<0.633nm，RMS精度<1.25nm。

3.根据权利要求1所述的用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，其特征在于，所述高精度标准平晶（2）为光学平晶，面形精度PV值小于λ/50，其中λ=0.633μm，表面粗糙度RMS值小于2nm。

4.根据权利要求1所述的用于测试静压主轴运动精度的立式超精密装置，其特征在于，所述静压主轴采用超精密直驱式静压主轴。