超精密飞刀铣削加工的刀具动平衡在机测定调整装置和方法

摘要

本发明属于超精密加工技术领域，并公开了超精密飞刀铣削加工的刀具动平衡在机测定调整装置，包括机械测定调整系统和数据采集处理系统，所述机械测定调整系统包括主轴箱、空气轴承主轴、工作台、飞刀系统和传感器组件，所述飞刀系统包括飞刀盘、金刚石飞刀和金刚石飞刀配重，所述传感器组件设置有两组，每组所述传感器组件分别包括安装底座、可调整移动平台、转接板和激光位移传感器；所述数据采集处理系统包括计算机、串口通信电缆、传感器控制器以及传感器电缆。本发明通过两个激光位移传感器分别采集飞刀系统的零相位及位移值，使用平衡螺钉加重的方式完成动平衡调整，能快速精确地完成飞刀系统的动平衡测定调整。

说明书

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，更具体地，涉及一种刀具动平衡在机测定调整装置和方法。

背景技术

超精密飞刀铣削加工技术日益广泛地被应用于光学晶体以及有色金属材料的纳米级质量的平面、曲面及阵列的加工成型中。为了保证被加工工件的精度和表面质量，飞刀系统旋转过程中的动平衡变得尤为重要。由于金刚石飞刀和其配重的制造误差，以及在飞刀盘中的装配误差，使得飞刀系统存在不平衡量，在旋转时不平衡量会产生离心惯性力并通过空气轴承作用到空气轴承主轴本身及其机械基础上引发变形和振动，从而降低工件的加工质量并缩短空气轴承主轴和金刚石刀具的使用寿命，严重时会造成破坏性事故。为此，必须对飞刀系统的不平衡重量和位置进行测定，并使用平衡螺钉加重的方式进行动平衡调整，使其达到超精密飞刀铣削加工所需的平衡精度。

根据ISO1940所列的平衡精度等级，空气轴承主轴要求转子精度等级高于最高的G0.4，根据国际标准ISO1940-1973(E)中的“刚体旋转体的平衡精度”中规定：要求平衡精度等级为G0.4的精密转子，必须进行现场平衡。目前的刀具动平衡测定调整的装置，一般为动平衡机或手持式现场动平衡仪，动平衡机只能在固定转速下测量刀具动平衡，不能按照实际加工转速来调整动平衡，且会引入装夹误差，因此所测得的不平衡量与实际加工中的不平衡量存在较大偏差；手持式现场动平衡仪相比动平衡机，虽然能在实际加工转速和不拆除刀具的情况下进行动平衡测量和调整，但在超精密飞刀切削加工这种对刀具稳定性和运行精度要求极高的场合，其动平衡测量和调整精度难以达到G0.4甚至更高

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种刀具动平衡在机测定调整装置和方法，在飞刀盘一次装夹以及实际加工转速下，完成G0.4甚至更高精度的动平衡测定调整，保证超精密飞刀铣削加工中刀具良好的稳定性和运行精度，以加工出具有纳米级粗糙度的光滑表面。本发明通过两个激光位移传感器分别采集飞刀系统的零相位及位移值，共同用于计算飞刀系统的不平衡重量和位置，并使用平衡螺钉加重的方式完成动平衡调整。测量数据通过串口通信，交由计算机处理，减小人员工作量，快速精确地完成飞刀系统的动平衡测定调整。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了超精密飞刀铣削加工的刀具动平衡在机测定调整装置，其特征在于，包括机械测定调整系统和数据采集处理系统，其中，

所述机械测定调整系统包括主轴箱、空气轴承主轴、工作台、飞刀系统和传感器组件，所述空气轴承主轴安装在所述主轴箱中，所述工作台安装在机架上，以用于安装工件，所述飞刀系统包括飞刀盘、金刚石飞刀和金刚石飞刀配重，所述飞刀盘安装在所述空气轴承主轴的下端，所述金刚石飞刀和所述金刚石飞刀配重分别安装在所述飞刀盘上，所述飞刀盘上设置有多个用于安装平衡螺钉的螺钉孔，所述传感器组件设置有两组，每组所述传感器组件分别包括安装底座、可调整移动平台、转接板和激光位移传感器，并且在每组所述传感器组件中，所述安装底座固定安装在所述主轴箱上，所述可调整移动平台安装在所述安装底座上并且所述可调整移动平台上安装所述转接板，以用于带动所述转接板水平移动及上下移动，所述激光位移传感器安装在所述转接板上并且激光位移传感器射出水平的激光；

所述数据采集处理系统包括计算机、串口通信电缆、传感器控制器以及传感器电缆，其中所述计算机通过串口通信电缆与传感器控制器相连，所述传感器控制器通过传感器电缆分别与每个所述传感器连接，所述计算机根据传感器控制器传输的两个激光位移传感器的数据获得飞刀系统的不平衡重量及不平衡位置；

两个所述激光位移传感器射出的激光相互垂直，而且这两条激光所在的直线均与所述飞刀盘的轴线相交，其中一个激光位移传感器的激光可通过可调整移动平台的调整射在飞刀盘的外侧，以用于测量飞刀系统的振动位移数据，另一个激光位移传感器的激光可通过可调整移动平台的调整射在金刚石飞刀的刀尖上，以用于采集所述刀尖的位置并传给所述传感器控制器，从而再通过所述计算机标记飞刀系统的零相位。

优选地，还包括机械式筒夹，所述飞刀盘通过机械式筒夹安装固定于所述空气轴承主轴上，并且所述飞刀盘位于所述工作台的上方。

优选地，所述飞刀盘两侧对称地开有用于安装金刚石飞刀和金刚石飞刀配重的安装孔位，所述金刚石飞刀和金刚石飞刀配重通过紧定螺钉固定于相应的安装孔位中，所述金刚石飞刀伸出安装孔位的长度大于金刚石飞刀配重伸出安装孔位的长度。

优选地，所述飞刀盘的上表面沿圆周方向均布多个所述螺钉孔，所述平衡螺钉安装固定于相应的螺钉孔中。

优选地，所述计算机基于互相关法和影响系数法获得飞刀系统的不平衡重量及不平衡位置。

按照本发明的另一个方面，还提供了采用所述的超精密飞刀铣削加工的刀具动平衡在机测定调整装置进行刀具动平衡在机测定调整的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(一)根据所要求的平衡精度计算飞刀系统的允许不平衡量；

(二)通过可调整移动平台分别调整每个激光位移传感器的位置，使其中一个激光位移传感器的激光射在飞刀盘的外侧，另一个激光位移传感器的激光可通过可调整移动平台的调整射在金刚石飞刀的刀尖上；

(三)使空气轴承主轴达到加工所需转速，通过激光射在飞刀盘外侧的激光位移传感器采集飞刀系统的振动位移数据，激光射在金刚石飞刀刀尖上的激光位移传感器采集所述刀尖的位置并传给所述传感器控制器，从而再通过所述计算机标记飞刀系统的零相位；

(四)基于步骤(三)中的两个激光位移传感器的数据，通过互相关法提取飞刀系统的振动数据的幅值和相位；

(五)空气轴承主轴停止转动，在飞刀盘的上表面任意一个螺钉孔中安装一颗平衡螺钉，重复步骤(三)和步骤(四)，以获得安装平衡螺钉后飞刀系统的振动数据的幅值和相位；

(六)基于步骤(四)和步骤(五)获得的两组振动数据的幅值和相位，标定飞刀系统在步骤(三)的空气轴承主轴转速下的影响系数，并计算飞刀盘上的不平衡重量和不平衡位置，最后拆卸步骤(五)中安装的平衡螺钉；

(七)在飞刀盘上与步骤(六)获得的不平衡位置对称的位置添加与不平衡重量相等的平衡螺钉，重新测定飞刀系统的剩余不平衡量；

(八)如步骤(七)中测定的剩余不平衡量小于步骤(一)中的允许不平衡量，则完成飞刀系统的动平衡调整，反之，重复步骤(七)，直至剩余不平衡量小于步骤(一)中的允许不平衡量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)飞刀系统进行一次装夹且在实际加工转速下，使用两个激光位移传感器分别采集飞刀系统的振动位移值及零相位，并通过计算获取飞刀系统的不平衡重量和位置，所测数据结果精度高，并通过精密平衡螺钉进行动平衡调整，能够满足超精密飞刀铣削加工的技术要求；

(2)两个激光位移传感器所采样数据均通过传感器控制器转换后交由计算机处理，不需要人工计算，将动平衡求解算法程序化后实现自主采集、自主计算飞刀系统的不平衡量；

(3)激光位移传感器可以通过可调整位移平台进行位置调整，结合传感器控制器的信号强度和读取数据可以获得良好地激光对准效果，避免了便携式现场动平衡仪传感器布置的随机性，进一步提升了飞刀系统动平衡的测定精度。

附图说明

图1是本发明中飞刀系统的结构图；

图2是本发明的工作原理图；

图3是本发明中机械测定调整系统的结构示意图；

图4是本发明中激光位移传感器和飞刀系统相对位置结构图；

图5是本发明中飞刀系统零相位标记原理图；

图6是本发明中一部分振动位移数据处理截图；

图7是本发明的标定影响系数原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图7，按照本发明的一个方面，提供了超精密飞刀铣削加工的刀具动平衡在机测定调整装置，包括机械测定调整系统6和数据采集处理系统1，其中，

所述机械测定调整系统6包括主轴箱8、空气轴承主轴7、工作台13、飞刀系统和传感器组件，所述空气轴承主轴7安装在所述主轴箱8上，所述工作台13安装在机架上，以用于安装工件，所述飞刀系统包括飞刀盘15、金刚石飞刀14和金刚石飞刀配重17，所述飞刀盘15安装在所述空气轴承主轴7的下端，所述金刚石飞刀14和所述金刚石飞刀配重17分别安装在所述飞刀盘15上，所述飞刀盘15上设置有多个用于安装平衡螺钉16的螺钉孔，所述传感器组件设置有两组，每组所述传感器组件分别包括安装底座、可调整移动平台、转接板和激光位移传感器，并且在每组所述传感器组件中，所述安装底座固定安装在所述主轴箱8上，所述可调整移动平台安装在所述安装底座上并且所述可调整移动平台上安装所述转接板，以用于带动所述转接板水平移动及上下移动，所述激光位移传感器安装在所述转接板上并且激光位移传感器射出水平的激光；其水平移动的方向与激光垂直；

参照图3，两个安装底座分别为第一安装底座9和第二安装底座22，两个可调整移动平台分别为第一可调整移动平台10和第二可调整移动平台21，两块转接板分别为第一转接板11和第二转接板20，两个激光位移传感器分别为第一激光位移传感器12和第二激光位移传感器18；

所述数据采集处理系统包括计算机2、串口通信电缆3、传感器控制器4以及传感器电缆5，其中所述计算机2通过串口通信电缆3与传感器控制器4相连，所述传感器控制器4通过传感器电缆5分别与每个所述传感器连接，所述计算机2根据传感器控制器4传输的两个激光位移传感器的数据获得飞刀系统的不平衡重量及不平衡位置；

两个所述激光位移传感器射出的激光相互垂直，而且这两条激光所在的直线均与所述飞刀盘15的轴线相交，其中一个激光位移传感器的激光可通过可调整移动平台的调整射在飞刀盘15的外侧，以用于测量飞刀系统的振动位移数据，另一个激光位移传感器的激光可通过可调整移动平台的调整射在金刚石飞刀14的刀尖上，以用于采集所述刀尖的位置并传给所述传感器控制器4，从而再通过所述计算机2标记飞刀系统的零相位。

进一步，还包括机械式筒夹19，所述飞刀盘15通过机械式筒夹19安装固定于所述空气轴承主轴7上，所述并且所述飞刀盘15位于所述工作台13的上方。

进一步，所述飞刀盘15两侧对称地开有用于安装金刚石飞刀14和金刚石飞刀配重17的安装孔位，所述金刚石飞刀14和金刚石飞刀配重17通过紧定螺钉固定于相应的安装孔位中，所述金刚石飞刀14伸出安装孔位的长度大于金刚石飞刀配重17伸出安装孔位的长度。

进一步，所述飞刀盘15的上表面沿圆周方向均布多个所述螺钉孔，所述平衡螺钉16安装固定于相应的螺钉孔中。

进一步，所述计算机2基于互相关法和影响系数法获得飞刀系统的不平衡重量及不平衡位置。

如图3和图4所示，所述第一转接板11和第二转接板20下部的伸出长度使激光位移传感器与飞刀系统之间相对位置处于激光位移传感器的工作距离内，并通过第一可调整移动平台10将第一激光位移传感器12的激光射线对准飞刀盘15的轴线，并聚焦于飞刀盘15的侧面，使激光光斑处于金刚石飞刀14和金刚石飞刀配重17的安装孔位的上方，观察传感器控制器4中第一激光位移传感器12的位移数据的变化量大小来判断对准效果，一般要求数据变化量在1微米以内；通过上下移动第二可调整移动平台21将第二激光位移传感器18的激光射线调整与金刚石飞刀14的刀尖处于同一高度，水平移动第二可调整移动平台21并手动旋转飞刀盘15，使激光射线聚焦于金刚石飞刀14的刀尖，观察传感器控制器4中第二激光位移传感器18的位移数据的变化量大小来判断对准效果，一般要求数据变化量在1微米以内；平衡螺钉16可以根据所计算出的不平衡量安装于如图4所示的飞刀盘15上表面孔a～孔h中的某一个或某几个螺钉孔中。

一种基于上述装置的超精密飞刀铣削加工的刀具动平衡在机测定调整的方法，具体包括以下步骤：

(一)根据所要求的平衡精度计算飞刀系统的允许不平衡量：

其中：U_per-允许不平衡质量(gmm)，M-飞刀系统的自身重量(Kg)，G-飞刀系统的平衡精度等级(mm/s)，n-飞刀系统的转速(rpm)。

(二)通过可调整移动平台调整两个激光位移传感器至如图4所示的相应位置；

(三)使空气轴承主轴7达到加工所需转速，通过第一激光位移传感器12采集飞刀系统的振动位移数据并传给传感器控制器4，第二激光位移传感器18通过可调整移动平台的调整射在金刚石飞刀14的刀尖上，以采集所述刀尖的位置并传给所述传感器控制器4，从而再通过所述计算机2标记飞刀系统的零相位；

(四)通过互相关法提取第一激光位移传感器12采集的飞刀系统振动位移数据的幅值和相位，过程如下：

如图5所示，将第二激光位移传感器18采集的标记信号进行低通滤波，记录滤波后的标记信号的第一个波峰位置i₁处(即所标记的零相位φ₀)对应的采样点为初始采样点，从初始采样点处读取第一激光位移传感器12采集到的未安装平衡螺钉16的飞刀系统的初始振动位移数据。然后，如图6所示，进行VMD变分模态分解，提取原始振动位移信号，基于互相关法计算滤波后振动位移信号的幅值和相位：

将飞刀系统的振动位移信号x(t)表示为：

其中，f₀为基频，n(t)为非f₀频率分量和噪声之和。

为了提取飞刀系统的振动位移信号的幅值Y和相位将频率为基频f₀、初相位为0的正弦信号和余弦信号分别与飞刀系统的振动位移信号做互相关。设正弦信号和余弦信号在[0,T]范围内的采样分别为：

相关函数的定义为：

R_xy(τ)为相关函数，T为信号周期，y(t+τ)为参考信号。

将振动位移信号与参考信号进行如下相关运算(τ＝0)：

在实际信号处理中，经过采样后x(t)、y(t)、z(t)连续信号变成离散数据序列：

(i＝0,1,2,…,N-1) (8)

z(i)＝cos2πf₀i

(i＝0,1,2,…,N-1) (9)

振动位移信号x(t)与参考信号y(t)、z(t)的相关序列R_xy(0)和R_xz(0)

为：

飞刀系统的振动位移信号的幅值和相位为：

其中，当R_xy(0)<0时，实际的相位当R_xy(0)>0且R_xz(0)<0时，实际的相位当R_xy(0)>0且R_xz(0)>0时，实际的相位

(五)空气轴承主轴7停止转动，在飞刀盘15的上表面任意螺钉孔中安装平衡螺钉16，重复步骤(三)和步骤(四)：

在飞刀盘15上任一螺钉孔位上安装平衡螺钉16，重复上述步骤(三)和步骤(四)，测量并计算飞刀系统加试重后的振动位移信号的幅值和相位。

(六)基于步骤(四)和步骤(五)中的两组振动数据的幅值和相位，标定飞刀系统在该转速下的影响系数，并计算飞刀盘15上的不平衡重量和位置，最后拆卸步骤(五)中的平衡螺钉16，过程如下：

影响系数法基本原理为：转速一定的情况下，飞刀系统的不平衡量的幅值和振动信号的幅值之比为常数k，振动信号的相位滞后于不平衡量的相位为一固定角度α。

影响系数标定过程：采用试重法求解k和α，如图7所示，U为原始不平衡量，U₁为加试重的不平衡量，U₂为合成不平衡量，Y和分别为初始不平衡量引起的振动幅值和相位，Y₂和分别为合成的不平衡量引起的振动幅值和相位。分别测量不加试重时的Y和和加试重后的Y₂和即可求得原始不平衡重量U和位置角θ，以及影响系数k和α。具体计算公式如下：

(七)在飞刀盘15上与θ对称的位置角添加与不平衡重量U相等的平衡螺钉16，重新测定飞刀系统的剩余不平衡量：

采集并计算飞刀系统添加平衡螺钉16后的振动位移信号的幅值Y₃和相位通过标定好的影响系数k和α换算为飞刀系统的剩余不平衡重量U_re和位置角θ_re，具体计算公式如下：

U_re＝kY₃>

(八)如步骤(七)中测定的剩余不平衡量小于步骤一中的允许不平衡量，则完成飞刀系统的动平衡调整，反之，重复步骤(七)，直至剩余不平衡量小于步骤一中的允许不平衡量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。