成套回转装备主轴动态回转误差的测量装置与测量方法

摘要

本发明公开了一种成套回转装备主轴动态回转误差的测量装置，连接定位柱安装于标准棒与主轴之间，四个位移传感器的测量端分别置于标准棒的圆周外并用于检测标准棒的位移，位移传感器的信号输出端依次与数据采集器、信号调理器和上位机连接，互连的连接定位柱端面与标准棒端面上分别设有两个对称的标记。本发明还公开了一种成套回转装备主轴动态回转误差的测量方法，包括：旋转主轴，位移传感器记数；将标准棒旋转180°后，再旋转主轴，位移传感器记数；将数据进行傅里叶变换；依据上述数据计算主轴的径向回转误差。本发明将反转法误差分离技术改进用于成套装备的主轴动态回转误差测量，显著提高了测量精度，适于推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密机床或精密离心机等成套回转装备主轴动态回转误差 的测量装置与测量方法，属于精密仪器制造及测量技术领域。

背景技术

作为精密机床、精密转台以及精密离心机等成套装备的核心部分，主轴的 回转误差测量很大程度上影响着精密零部件的加工精度以及惯性仪表的标校精 度。尤其在精密机械加工领域，机床热变形、结构误差、主轴回转误差、环境 振动等众多因素均是影响机械零件加工误差的因素。随着机床的加工精度达到 亚微米甚至纳米量级，主轴回转误差引起的零件加工误差将成为制约精密机械 加工精度的主要影响因素。相关试验表明精密车削加工的零件圆度误差约有 30％～70％是由车床的主轴回转误差引起的，而且机床的精度越高，其主轴回转 误差在各种加工误差源中所占的比例越大。

在目前的主轴回转误差测量原理及技术手段不能从根本上改变的情况下， 回转误差测量要以主轴外轮廓或附加标准球作为测量基准面，这样就不可避免 会混入主轴外轮廓的圆度误差或附加标准球的安装偏心等误差源，因此主轴回 转误差测量的关键在于误差分离技术。

目前，主轴回转误差和圆度误差分离方法主要有反转法、多步法以及多测 头法。相关研究表明虽然三种方法各有优缺点，但只要合理设计参数，三种方 法都能达到纳米级测量精度，但工程实现难度极大，而且这么高的测量精度目 前主要是针对机械零部件的圆度误差和回转误差分离。针对机床或精密离心机 等成套装备的动态回转误差在线测量，其重要性亦为重要：对于精密机床，其 动态回转误差更能反映真实工况下的加工精度，通过回转误差的在线精密测量， 可以预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度，亦可用于 机床加工精度的补偿控制，实现更高一级精度的加工；对于高精度精密离心机， 其负载工况下的主轴动态回转误差测量结果将作为补偿量用以提高输出加速度 的精准度。目前多点法可以实现成套装备的主轴动态回转误差在线实时测量， 但测量原理和测量系统相对复杂；反转法和多步法主要用于对机械零件的圆度 误差检测，很难对成套回转装备的主轴动态回转误差进行实时测量。

目前公知的基于多点法误差分离技术的主轴回转运动误差测量方法主要有 基于频域和时域两种，这些方法均能实现精密机床等成套装备的主轴动态回转 误差在线测量。相关文献可参考中国专利：一种改进型三点法回转误差、圆度 误差计算方法，专利申请号：201310285596.X；一种主轴径向回转精度在线监 测装置，专利申请号：201110343296.3；等等。多点法误差分离专利较多，在此 不一一列举，归纳起来多点法的缺点是测量原理复杂，传感器安装误差和多个 传感器之间的灵敏度差异也将会引入较大的测量误差。反转法和多步测量法方 面，目前公知的技术或应用主要针对机械零部件的圆度误差测量。中国国内专 利：单转位圆度误差分离方法，专利申请号：200510002287.2，通过对多步法进 行改进实现了工件的圆度误差高精度测量；一种基于反向和多传感器法结合的 高精度圆度检测方法，专利申请号：201110049087.8，通过制作两个具有相同形 状误差的转盘，并借助于圆度仪，基于反向法和多侧头法实现了工件的圆度误 差高精度测量；基于双测头扫描数据拼接的工件转台误差分离的测量装置及方 法，专利申请号：201110414841.3，采用双测头扫描数据拼接方法，有效分离去 除工件转台的运动误差对测量结果的影响，提高了圆度误差分离精度。国外文 献有通过严格控制测量条件，对反转法进行改进的方法，通过借助于高精度定 位转台，实现了工件的纳米级圆度误差测量精度。虽然以上反转法、改进反转 法、多步法等的优点是测量简单、精度高，但还是通过借助于高精度定位转台 用于工件的圆度误差测量，很难直接用于机床等成套回转装备的主轴动态回转 误差测量。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于改进反转法的成套 回转装备主轴动态回转误差的测量装置与测量方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种成套回转装备主轴动态回转误差的测量装置，包括光栅编码器、标准 棒、位移传感器、数据采集器、信号调理器和上位机，所述标准棒用于与所述 主轴连接并同步旋转，所述光栅编码器用于检测所述主轴的转速并输出Z脉冲 信号，所述位移传感器用于检测所述标准棒的位移，所述位移传感器的信号输 出端和所述光栅编码器的Z脉冲信号输出端分别与所述数据采集器的信号输入 端连接，所述数据采集器的信号输出端与所述信号调理器的信号输入端连接， 所述信号调理器的信号输出端与所述上位机的信号输入端连接；所述测量装置 还包括安装于所述标准棒与所述主轴之间的连接定位柱，所述连接定位柱的第 一端与所述主轴连接，所述连接定位柱的第二端与所述标准棒的第一端连接， 所述连接定位柱的第二端端面为平面且在其圆周或虚拟圆周上设有两个以所述 连接定位柱的中心线为对称轴对称的连接定位柱标记，所述标准棒的第一端端 面为平面且在其圆周或虚拟圆周上设有两个以所述标准棒的中心线为对称轴对 称的标准棒标记；四个所述位移传感器的测量端均匀分布于所述标准棒圆周外 的虚拟圆周上。

作为优选，所述连接定位柱标记和所述标准棒标记的宽度均小于1mm，且 所述连接定位柱标记和对应的所述标准棒标记在相互对准时其重叠宽度不小于 0.5mm。

为了便于加工，所述连接定位柱标记和所述标准棒标记均为刻度线标记。

一种成套回转装备主轴动态回转误差的测量装置采用的测量方法，包括以 下步骤：

(1)首先将连接定位柱连接于标准棒与主轴之间，两个连接定位柱标记和 两个标准棒标记分别对齐重合，通过千分表调整标准棒的安装偏心，使其偏心 量小于设定值；

(2)安装好四个位移传感器并使其与标准棒的圆周外表面保持一定间距， 调节位移传感器的测量端与标准棒的圆周外表面之间的间距到合适位置，该间 距必须小于位移传感器的量程；

(3)设主轴回转一周的位移传感器采样点数为N，驱动主轴旋转，通过光 栅编码器的Z信号进行位移传感器的采集触发，四个位移传感器分别采样输出n 个值并分别依次记为S_A11…S_A1n、S_A21…S_A2n，S_A31…S_A3n和S_A41…S_A4n，其中，n ＞N，S_A11…S_A1n组成数组S_A1，S_A21…S_A2n组成数组S_A2，S_A31…S_A3n组成数组S_A3， S_A41…S_A4n组成数组S_A4；并将位移传感器初始采样起始点对应的传感器敏感轴 方向作为测量坐标系的x轴；

(4)主轴停止旋转，连接定位柱不动，将标准棒在原来的安装位置旋转 180°后与连接定位柱重新连接，此时两个连接定位柱标记和两个标准棒标记变 化对应关系后分别对齐重合；重新驱动主轴旋转，通过光栅编码器的Z信号进 行位移传感器的采集触发，四个位移传感器分别采样输出n个值并分别依次记 为S_B11…S_B1n、S_B21…S_B2n，S_B31…S_B3n和S_B41…S_B4n，其中，S_B11…S_B1n组成数组 S_B1，S_B21…S_B2n组成数组S_B2，S_B31…S_B3n组成数组S_B3，S_B41…S_B4n组成数组S_B4；

(5)将S_A1、S_A2、S_A3、S_A4、S_B1、S_B2、S_B3、S_B4通过傅里叶变换消除信号 的一阶谐波分量即标准棒的安装偏心误差；

(6)设标准棒的圆度误差为r(i)，主轴的径向回转误差为e(i)，主轴的径向 回转误差为：

$e\left(i\right)=\sqrt{x^2\left(i\right)+y^2\left(i\right)}$

其中：

$x\left(i\right)=\frac{S_{A1}\left(i\right)+S_{B1}\left(i\right)-S_{A3}\left(i\right)-S_{B3}\left(i\right)}{4}$

$y\left(i\right)=\frac{S_{A2}\left(i\right)+S_{B2}\left(i\right)-S_{A4}\left(i\right)-S_{B4}\left(i\right)}{4}$

其中，S_A1(i)、S_A2(i)、S_A3(i)、S_A4(i)、S_B1(i)、S_B2(i)S_B3(i)、S_B4(i)分别表示各数组中的对应的第i个数值。

作为优选，所述步骤(2)中，四个位移传感器与标准棒的圆周外表面之间 的间距为位移传感器量程的一半。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在标准棒与主轴之间增加一个带有精密标记的连接定位柱将反 转法误差分离技术改进用于成套回转装备的主轴动态回转误差测量，与现有多 测头法误差分离技术相比，本发明所述测量装置误差分离简单、运算量小，而 且测量误差可控，不存在谐波抑制问题，显著提高了测量精度，适于推广应用。

附图说明

图1是本发明所述成套回转装备主轴动态回转误差的测量装置的结构示意 图；

图2是本发明所述位移传感器围绕标准棒分布的结构示意图；

图3是本发明所述连接定位柱的第二端端面结构示意图；

图4是本发明所述标准棒的第一端端面结构示意图；

图5是本发明所述连接定位柱的第二端端面与所述标准棒的第一端端面对 准关系示意图之一，图中的标准棒直径相对于连接定位柱直径的比例大于图1；

图6是本发明所述连接定位柱的第二端端面与所述标准棒的第一端端面对 准关系示意图之二，图中的标准棒直径相对于连接定位柱直径的比例大于图1。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述成套回转装备主轴动态回转误差的测量装置包括 光栅编码器13、连接定位柱2、标准棒3、位移传感器4、数据采集器6、信号 调理器7和上位机8，光栅编码器13用于检测主轴1的转速并输出Z脉冲信号， 连接定位柱2安装于标准棒3与主轴1之间的，连接定位柱2的第一端(即图1 中的上端)与主轴1连接，连接定位柱2的第二端(即图1中的下端)与标准 棒3的第一端(即图1中的上端)连接，位移传感器4用于检测标准棒3的位 移，位移传感器4的信号输出端和光栅编码器13的Z脉冲信号输出端分别通过 信号电缆5与数据采集器6的信号输入端连接，数据采集器6的信号输出端与 信号调理器7的信号输入端连接，信号调理器7的信号输出端与上位机8的信 号输入端连接；如图2、图3和图4所示，连接定位柱2的第二端端面为平面且 在其圆周上设有两个以连接定位柱2的中心线为对称轴对称的连接定位柱刻度 线，即0°连接定位柱刻度线9和180°连接定位柱刻度线10，标准棒3的第一 端端面为平面且在其圆周上设有两个以标准棒3的中心线为对称轴对称的标准 棒刻度线，即0°标准棒刻度线11和180°标准棒刻度线12；四个位移传感器 4的测量端均匀分布于标准棒3圆周外的虚拟圆周上。上述连接定位柱刻度线和 标准棒刻度线还可以分别设于连接定位柱2的第二端端面的虚拟圆周上和的标 准棒3的第一端端面的虚拟圆周上，具体根据连接定位柱2与标准棒3之间的 直径差而定，以对应的连接定位柱刻度线和标准棒刻度线之间的间距足够小或 直接部分重叠、便于对齐为原则，具体而言，连接定位柱标记和标准棒标记的 宽度均小于1mm，且连接定位柱标记和对应的标准棒标记在相互对准时其重叠 宽度不小于0.5mm。说明，图3、图4、图5和图6中的标准棒3的直径相对于 连接定位柱2的直径的比例均大于图1，是为了便于显示连接定位柱刻度线和标 准棒刻度线之间的对齐关系，实际应用中，如果标准棒3的直径远小于连接定 位柱2的直径，则可以通过在连接定位柱2的第二端端面的虚拟圆周上设置连 接定位柱刻度线的方式来缩小对应的连接定位柱刻度线和标准棒刻度线之间的 间距，达到便于对齐的目的。

结合图1-图5，本发明所述成套回转装备主轴动态回转误差的测量装置采用 的测量方法，包括以下步骤：

(1)首先将连接定位柱2连接于标准棒3与主轴1之间，0°连接定位柱 刻度线9和180°连接定位柱刻度线10分别与0°标准棒刻度线11和180°标 准棒刻度线12对齐重合，通过千分表调整标准棒3的安装偏心，使其偏心量小 于设定值；

(2)安装好四个位移传感器4并使其与标准棒3的圆周外表面保持一定间 距，调节位移传感器4的测量端与标准棒3的圆周外表面之间的间距到合适位 置，该间距必须小于位移传感器的量程，优选为位移传感器量程的一半；

(3)设主轴1回转一周的位移传感器4采样点数为N，驱动主轴1旋转， 通过光栅编码器13的Z信号进行位移传感器4的采集触发，四个位移传感器4 分别采样输出n个值并分别依次记为S_A11…S_A1n、S_A21…S_A2n，S_A31…S_A3n和S_A41… S_A4n，其中，n＞N，S_A11…S_A1n组成数组S_A1，S_A21…S_A2n组成数组S_A2，S_A31…S_A3n组成数组S_A3，S_A41…S_A4n组成数组S_A4；并将位移传感器4初始采样起始点对应 的传感器敏感轴方向作为测量坐标系的x轴；

(4)主轴1停止旋转，连接定位柱2不动，将标准棒3在原来的安装位置 旋转180°后与连接定位柱1重新连接，此时两个连接定位柱标记和两个标准棒 标记变化对应关系后分别对齐重合；重新驱动主轴1旋转，通过光栅编码器13 的Z信号进行位移传感器4的采集触发，四个位移传感器4分别采样输出n个 值并分别依次记为S_B11…S_B1n、S_B21…S_B2n，S_B31…S_B3n和S_B41…S_B4n，其中，S_B11… S_B1n组成数组S_B1，S_B21…S_B2n组成数组S_B2，S_B31…S_B3n组成数组S_B3，S_B41…S_B4n组成数组S_B4；

(5)将S_A1、S_A2、S_A3、S_A4、S_B1、S_B2、S_B3、S_B4通过傅里叶变换消除信号 的一阶谐波分量即标准棒的安装偏心误差；

(6)设标准棒3的圆度误差为r(i)，主轴1的径向回转误差为e(i)，主轴1 的径向回转误差为：

$e\left(i\right)=\sqrt{x^2\left(i\right)+y^2\left(i\right)}$

其中：

$x\left(i\right)=\frac{S_{A1}\left(i\right)+S_{B1}\left(i\right)-S_{A3}\left(i\right)-S_{B3}\left(i\right)}{4}$

$y\left(i\right)=\frac{S_{A2}\left(i\right)+S_{B2}\left(i\right)-S_{A4}\left(i\right)-S_{B4}\left(i\right)}{4}$

其中，S_A1(i)、S_A2(i)、S_A3(i)、S_A4(i)、S_B1(i)、S_B2(i)S_B3(i)、S_B4(i)分别表示各数组中的对应的第i个数值。

上述计算过程通过上位机内的软件来实现。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制， 只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视 为落入本发明专利的权利保护范围内。