在线测量超精密静压主轴动态性能的装置及采用该装置测量静压主轴动态性能的方法

摘要

在线测量超精密静压主轴动态性能的装置及采用该装置测量静压主轴动态性能的方法，本发明涉及一种超精密静压主轴动态性能在线测量方法。本发明解决了现有方法不能实现超精密静压主轴动态性能在线测量或现有方法难以解决测量基准的安装误差和制造误差对测量结果产生影响的问题。本发明采用高精度位移传感器采集传感器与标准球之间的位移信息，获得的位移信息经信号放大器进行放大，经A/D转换电路和数据采集电路后输入至计算机；采用旋转编码器对主轴的相位信息进行采集并输入计算机，通过计算机进行分析与处理，获得超精密静压主轴旋转的动态性能误差数据，完成超精密静压主轴动态性能在线测量。本发明适用于超精密静压主轴动态性能在线测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超精密静压主轴动态性能在线测量方法。

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，传统的研抛 等光学加工方法不能用于大口径KDP晶体的加工，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。在实际加工过程中，采用立式超精密飞切加工大口径KDP晶体时，在加工表 面不管是沿着工作台进给方向，还是沿着与工作台进给垂直的方向上都存在规则的微波 纹，这些微波纹的空间周期在数十微米至数十毫米左右，幅值在数十纳米左右，经研究表 明这些微波纹的形成与超精密静压主轴的动态性能有关，如何实现超精密主轴动态性能的 在线测量是目前噬待解决的巨大难题。

申请号为200810064030.3的发明专利公开了一种超精密气体静压主轴系统，但现有 技术主要是基于静态测试的方法实现对超精密主轴性能的测量，该方法不能反应超精密主 轴在实际工作过程中的真实状态和动态性能，即使采用特殊方法能够实现超精密静压主轴 的动态性能的在线测量，由于超精密静压主轴的制造精度很高，其旋转过程中产生的动态 误差在数十至数百纳米量级，对其动态性能进行检测时测量基准的安装误差和制造误差都 会对测量结果造成较为严重的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法不能实现超精密静压主轴动态性能在线测量或现 有方法难以解决测量基准的安装误差和制造误差对测量结果产生影响的问题，提出了在线 测量超精密静压主轴动态性能的装置及采用该装置测量静压主轴动态性能的方法。

本发明所述在线测量超精密静压主轴动态性能的装置，该装置包括信号采集单元和数 据处理单元，所述信号采集单元包括一号高精度位移传感器、传感器支架、二号高精度位 移传感器、标准球、检测杆、三号高精度位移传感器和旋转编码器；超精密静压主轴中转 子的后端面加工为锥形，作为测量基准面；

检测杆的一端与标准球固定连接，检测杆的另一端带有螺纹，并通过螺纹连接在中空 主轴的内部台阶上，标准球紧贴在锥形测量基准面上，传感器支架为下开口结构，传感器 支架倒置固定在静压主轴中电机的定子上，一号高精度位移传感器、二号高精度位移传感 器和三号高精度位移传感器分别固定在传感器支架上，用于测量超精密静压主轴旋转 时标准球与高精度位移传感器与之间的位移；旋转编码器固定在超精密静压主轴上；旋 转编码器用于测量主轴旋转时的相位信息；

数据处理单元包括信号放大器、A/D转换电路、数据采集电路和计算机；

一号高精度位移传感器、二号高精度位移传感器和三号高精度位移传感器的采集信号 输出端分别连接信号放大器的三个信号输入端；旋转编码器的相位信息的输出端连接计算 机的相位信息输入端，信号放大器的放大后信号输出端连接A/D转换电路的放大后信号输 入端，A/D转换电路的数字信号输出端连接数据采集电路的数据信号输入端，数据采集电 路的采集数据输出端连接计算机的采集数据输入端；

采用上述在线测量超精密静压主轴动态性能的装置测量静压主轴动态性能的方法，该 方法的具体步骤为：

步骤一、运行机床使超精密主轴工作，利用一号高精度位移传感器、二号高精度位移 传感器和三号高精度位移传感器分别测量出每个位移传感器与标准球之间的位移信息；并 将测量每个位移传感器与标准球之间的位移信息传递给信号放大器；

步骤二、利用旋转编码器测量静压主轴中电机旋转的相位信息，并将获得电机旋转的 相位信息传递给计算机；

步骤三、采用信号放大器将步骤一获得每个位移传感器与标准球之间的位移信息进行 放大，并将放大后的位移传感器与标准球之间的位移信息传递给A/D转换电路；

步骤四、采用A/D转换电路对位移传感器与标准球之间的位移信息进行模数转换，获 得数据信息；

步骤五、将步骤四获得的数据信息传递给数据采集电路，采用数据采集电路对步骤四 获得数据信息进行采集，并将采集获得的信息传递给计算机；

步骤六、计算机对步骤五采集获得的信息与步骤二获得的电机旋转的相位信息进行同 相相减，获得超精密静压主轴旋转的动态性能误差数据，并将获得超精密静压主轴旋转的 动态性能误差数据作为测量结果，完成超精密静压主轴动态性能在线测量。

本发明所述测量基准球与安装锥面具有自定心特性，保证了主轴旋转中心同测量基准 球的旋转中心能够很好重合，消除了安装误差对测量结果造成的影响；将一号高精度位移 传感器、二号高精度位移传感器和三号高精度位移传感器采集到信号与旋转编码器得到的 电机相位信息在同一相位在计算机内进行相减处理，能够消除由于标准球本身制造误差引 起的测量误差，从而实现对纳米级精度超精密直驱式静压主轴动态性能的在线测量。

附图说明

图1为本发明所述在线测量超精密静压主轴动态性能的装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述在线测量超精密静压主 轴动态性能的装置，该装置包括信号采集单元和数据处理单元，所述信号采集单元包括一 号高精度位移传感器1、传感器支架2、二号高精度位移传感器3、标准球4、检测杆4-1、 三号高精度位移传感器6和旋转编码器7；超精密静压主轴中转子的后端面加工为锥形， 作为测量基准面5；

检测杆4-1的一端与标准球4固定连接，检测杆4-1的另一端带有螺纹，并通过螺纹 连接在中空主轴的内部台阶上，标准球4紧贴在锥形测量基准面5上，传感器支架2为下 开口结构，传感器支架2倒置固定在静压主轴中电机的定子上，一号高精度位移传感器1、 二号高精度位移传感器3和三号高精度位移传感器6分别固定在传感器支架2上，用于测 量超精密静压主轴旋转时标准球4与高精度位移传感器与之间的位移；旋转编码器7 固定在超精密静压主轴上；旋转编码器7用于测量主轴旋转时的相位信息；

数据处理单元包括信号放大器a、A/D转换电路b、数据采集电路c和计算机d；

一号高精度位移传感器1、二号高精度位移传感器3和三号高精度位移传感器6的采 集信号输出端分别连接信号放大器7的三个信号输入端；旋转编码器7的相位信息的输出 端连接计算机d的相位信息输入端，信号放大器7的放大后信号输出端连接A/D转换电路 b的放大后信号输入端，A/D转换电路b的数字信号输出端连接数据采集电路c的数据信 号输入端，数据采集电路c的采集数据输出端连接计算机d的采集数据输入端。

本实施方式所述的测量基准面安装在主轴的后端，测量分析在加工过程中实时进行， 不影响超精密机床的加工过程，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，由于采用三个高精度位移传感器同时测量，一路传感器安装在主轴的轴向，另外两 路安装在主轴的径向，可以同时实现主轴的轴向窜动和径向偏摆特性的检测。在测量中采 用非接触高精度位移传感器不会对主轴的运行状态造成影响。由于测量基准球通过检测杆 后端的螺纹固定于中空主轴的内部台阶上，测量基准球与安装锥面具有自定心特性，保证 了主轴旋转中心同测量基准球的旋转中心能够很好重合，消除了安装误差对测量结果造成 的影响；将高精度位移传感器采集到信号与旋转编码器得到的电机相位信息在同一相位进 行相减处理，消除了由于标准球本身制造误差引起的测量误差，该方法简单易行，测量结 果准确可靠，测量精度高，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的在 线测量。

本实施方式包括立式超精密直驱式静压主轴系统、测量系统以及计算机数据采集与处 理系统，超精密直驱式静压主轴系统由伺服电机和主轴定子和转子几部分组成。伺服电机 由电机定子和转子组成，电机定子通过机壳与机床横梁盖板相连，横梁盖板直接固连在机 床横梁上，实现电机定子的安装与固定。电机转子直接安装在静压主轴的转动部件上，实 现对静压主轴的直接驱动，主轴的转动部件包括上止推盘、下止推盘以及中空的轴心几个 部分，这几部分通过螺栓实现固定和联接，制造以及安装过程中保证主轴转动部件各部分 的轴线严格同轴，以提高轴的旋转精度。主轴轴套的定子部分通过螺栓直接固定在机床横 梁上，旋转编码器安装在主轴的后端以获取主轴旋转时的相位信息。主轴轴套和转动部件 之间通入压缩空气或压力油以实现近零摩擦传动。测量系统由安装在静压主轴后端的测量 基准球和高精度位移传感器以及传感器信号放大器、A/D转换器和数据采集系统组成，高 精度位移传感器安装在传感器支架上。计算机实现测量数据的分析与处理操作，与此同时， 将旋转编码器得到的主轴旋转相位信息同时送入计算机同采集到的高精度位移传感器的 信号一同进行处理。超精密机床的加工过程通过安装在主轴下止推盘上的微进给刀架上的 金刚石刀具实现对工件的加工，将工件安装位于主轴下方的水平工作台上的真空吸盘上。 由于测量系统位于机床主轴系统的后端，而机床的加工过程是在主轴的下前端部进行，两 者相互独立，互不影响，实现在加工的同时对主轴的动态性能进行测量。同时将测量结果 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。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的在线测量超精密静压主轴动 态性能的装置的进一步说明，标准球4的材质为不锈钢，标准球4抛光后的面形精度PV 值小于λ/20，其中λ=0.633μm，表面粗糙度小于2nm。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的在线测量超精密静压主轴动 态性能的装置的进一步说明，一号高精度位移传感器1、二号高精度位移传感器3和三号 高精度位移传感器6均采用电容传感器，所述电容传感器的分辨率小于1nm。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的在线测量超精密静压主轴动 态性能的装置的进一步说明，它还包括显示器e，显示器e的显示信号输入端连接计算机 d的显示信号输出端。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的在线测量超精密静压主轴动 态性能的装置的进一步说明，一号高精度位移传感器1和三号高精度位移传感器6的安装 位置为过基准球4球心的水平轴线上，二号高精度位移传感器3的安装位置为过基准球4 球心的垂直轴线上。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的在线测量超精密静压主轴动 态性能的装置的进一步说明，超精密静压主轴为空气静压或液体静压超精密主轴。

具体实施方式七、本实施方式是采用具体实施方式一所述的在线测量超精密静压主轴 动态性能的装置测量静压主轴动态性能的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、运行机床使超精密主轴工作，利用一号高精度位移传感器1、二号高精度位 移传感器3和三号高精度位移传感器6分别测量出每个位移传感器与标准球4之间的位移 信息；并将测量每个位移传感器与标准球4之间的位移信息传递给信号放大器a；

步骤二、利用旋转编码器7测量静压主轴中电机旋转的相位信息，并将获得电机旋转 的相位信息传递给计算机d；

步骤三、采用信号放大器a将步骤一获得每个位移传感器与标准球4之间的位移信息 进行放大，并将放大后的位移传感器与标准球4之间的位移信息传递给A/D转换电路b；

步骤四、采用A/D转换电路b对位移传感器与标准球4之间的位移信息进行模数转换， 获得数据信息；

步骤五、将步骤四获得的数据信息传递给数据采集电路c，采用数据采集电路c对步 骤四获得数据信息进行采集，并将采集获得的信息传递给计算机d；

步骤六、计算机d对步骤五采集获得的信息与步骤二获得的电机旋转的相位信息进行 同相相减，获得超精密静压主轴旋转的动态性能误差数据，并将获得超精密静压主轴旋转 的动态性能误差数据作为测量结果，完成超精密静压主轴动态性能在线测量。

本实施方式主要分为：安装测量基准：将标准球4安装在静压主轴系统后端部加工的 锥形安装基准面上，检测杆4-1的另一端通过螺母固定在中空主轴的内部；安装高精度位 移传感器：首先将高精度位移传感器支架2固定在电机定子的外壳上，其次通过支架2 上的安装孔装入高精度位移传感器；调节测量初始间隙：缓缓转动主轴，调整高精度位移 传感器与测量基准球4的初始间隙，使主轴旋转时高精度位移传感器与测量基准球4之间 的间隙控制在高精度位移传感器的测量量程范围内；测量：运行超精密机床，开启数据采 集系统，实时采集高精度位移传感器与测量基准球之间的位移变化情况，与此同时将得到 的旋转编码器的数据和采集到的高精度传感器的数据一同存入计算机以备处理与分析，从 而完成超精密静压主轴的动态性能在线检测操作。

本实施方式在超精密静压主轴转子的后端加工锥形安装基准面，检测杆一端为标准 球，将标准球直接安装在锥形基准面上作为测量基准，采用高精度位移传感器测量主轴旋 转时标准球与高精度位移传感器之间的位移变化，通过传感器信号放大器与A/D转换和数 据采集将测得的位移变化量送入计算机进行数据分析与处理，与此同时，将旋转编码器得 到的主轴旋转位置信号送入计算机同采集到的位移传感器信号一起进行处理，从而实现超 精密直驱式主轴动态性能的在线测量。由于采用三通道同时测量，可以同时实现主轴的轴 向窜动和径向偏摆性能的检测，由于测量基准球通过检测杆后端的螺纹固定于中空主轴的 内部台阶上，测量基准球与安装锥面具有自定心特性，保证了主轴旋转中心同测量基准球 的旋转中心能够很好重合，消除了安装误差对测量结果造成的影响；将传感器采集到信号 与旋转编码器得到的电机相位信息在同一相位进行相减处理，消除了由于测量基准球本身 制造误差引起的测量误差，本发明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。

本发明所述电机为直流或交流永磁无刷电机，电机转子同静压主轴转动部分直接固 连，中间无柔性联接环节。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式七所述的在线测量超精密静压主轴动 态性能的装置测量静压主轴动态性能的方法的进一步说明，在进行步骤一之前，首先调整 一号高精度位移传感器1、二号高精度位移传感器3和三号高精度位移传感器6与测量基 准球4的初始间隙，保证一号高精度位移传感器1、二号高精度位移传感器3和三号高精 度位移传感器6与测量基准球4之间的初始间隙在高精度位移传感器的测量量程范围内。

具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式八所述的在线测量超精密静压主轴动 态性能的装置测量静压主轴动态性能的方法的进一步说明，一号高精度位移传感器1、二 号高精度位移传感器3和三号高精度位移传感器6与测量基准球4的初始间隙为15μm -30μm。

测量过程中将一号高精度位移传感器1和三号高精度位移传感器6采集到信号与旋 转编码器7得到的电机相位信息在同一相位进行相减处理，消除了由于标准球4本身制造 误差引起的测量误差。由于采用三个高精度位移传感器同时测量，一路传感器安装在主轴 的轴向，另外两路安装在主轴的径向，可以同时实现主轴的轴向窜动和径向偏摆特性的检 测。测量装置位于机床主轴系统的后端，而机床的加工过程是在主轴的下前端部进行，两 者相互独立，互不影响，实现在加工的同时对主轴的动态性能进行测量。同时将测量结果 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。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。