一种用圆光栅及自准直仪测量主轴回转误差的装置及方法

摘要

本发明属于精密机械误差领域，公开了一种用圆光栅及自准直仪测量主轴回转误差的装置及方法。该测量装置由安装在主轴上的一套双读数头圆光栅、贴在轴底端的平面镜及一套自制自准直仪组成。当主轴存在径向回转误差时，结合圆光栅测得的径向运动误差，及自准直仪测得的偏摆误差，便可计算出轴上任意一点的径向回转误差，进而分析轴在旋转过程中的运动状态。采用本发明的结构可消除主轴圆度、表面粗糙度及主轴所受负载的变化对测量结果的影响。同时，本装置亦可实现主轴回转角度的高精度定位。

说明书

技术领域

本发明属于精密机械误差测量领域，具体涉及一种使用双读数头圆光栅配合自准直仪测量计算主轴的径向回转误差装置及方法。

背景技术

主轴回转误差是指主轴做回转运动时，其实际的回转轴线相对于理论回转轴线的偏差量。主轴回转误差主要包括：径向运动误差、倾角摆动误差和轴向窜动误差三种形式。其中径向运动误差和倾角摆动误差总称为主轴径向回转误差，是影响加工误差的主要原因。

现有的高精度主轴径向回转误差测量方法多采用误差分离方法，其测量、计算过程复杂并且多采用接触式位移传感器，受轴表面加工精度影响较大，且长时间测量会导致测头磨损，影响测量精度。

发明内容

本发明提出了一种实时测量主轴径向回转误差的方法及装置，该装置由安装在主轴上的一个增量式圆光栅和两个对径安装的读数头以及安装在主轴轴肩位置的一个与轴线垂直的环形平面镜和其配套自制自准直仪组成。

在测量过程中，圆光栅可以测得主轴在转动过程中的径向运动误差，自准直仪可以测得主轴在转动过程中其径向运动误差方向上的倾角摆动误差。根据主轴上一点的径向运动误差及其在此方向上的倾角摆动误差便可以计算出主轴上各个点的径向回转误差。

一种用圆光栅及自准直仪测量主轴回转误差的装置，包括主轴、环形平面镜、圆光栅、法兰盘、锁紧螺母、连接板、转台、光学平台、自制自准直仪、光栅读数头A、光栅读数头B；所述环形平面镜套在主轴上，以轴肩一端定位，其侧面用液体胶固定；圆光栅为圆环形，通过螺钉固定在法兰盘上，法兰盘从轴的另一端套在主轴上，同样以轴肩定位并通过锁紧螺母固定；光栅读数头A和光栅读数头B对径设在圆光栅两侧；自制自准直仪中激光器的轴线与光栅读数头A和光栅读数头B的连线平行，且激光器发出的光线经直角反射镜反射后落在环形平面镜上。

进一步地，上述自制自准直仪包括激光器、PBS分光镜、激光光线、直角反射镜、凸透镜、四象限光电探测器、调整架；激光器、PBS分光镜、直角反射镜共线设置，调整架用于调整直角反射镜的距离，令激光反射到环形平面镜上；凸透镜、四象限光电探测器共线且垂直于激光光线的光路，位于PBS分光镜一侧。

采用上述装置测量主轴回转误差的方法，包括以下步骤：

步骤1，标定安装误差

步骤1-1：将圆光栅固定在法兰盘上，之后将其作为一个整体固定在主轴的右侧轴肩位置；在主轴的左侧轴肩位置粘贴一环形平面镜；

步骤1-2：将装好圆光栅和平面镜的主轴用顶尖A和顶尖B进行轴向固定；

步骤1-3：将光栅读数头A和B对径安装在圆光栅两侧；将自制自准直仪固定在主轴左侧位置，使激光器轴线与两光栅读数头连线平行，并使得激光光线经直角反射镜反射后打在环形平面镜上；

步骤1-4：从光栅的零位开始，匀速转动主轴一圈，并记录光栅读数头和自制自准直仪的数值；

步骤1-5：光栅安装偏心误差标定；由光栅读数头A和B的读数差值，计算出主轴旋转一周各点的径跳；因主轴为顶尖定位，其顶尖孔连线为固定，所以此时的径跳即为光栅相对于顶尖孔连线的偏心量。

步骤1-6：镜面与顶尖孔连线不垂直误差标定；主轴由顶尖孔定位，其顶尖孔连线在主轴旋转过程中固定不动，在步骤1-4旋转主轴一周过程中，自制自准直仪所测得的角度变化即为镜面与顶尖孔连线的不垂直度；

步骤2：主轴运动状态检测

步骤2-1：将主轴连同标定好的圆光栅及平面镜作为一个整体装入工作框架中，其中各部件相对位置关系与标定时一致；

步骤2-2：主轴径向误差测量；工作过程中，光栅读数头A、B的读数均由主轴转过的绝对角度、光栅安装偏心引起的角度误差和主轴径跳引起的角度误差三部分组成；由光栅读数头A和B的读数和步骤1-5标定的光栅安装偏心量计算出主轴的径跳以及主轴转过的绝对角度；

步骤2-3：主轴偏摆角测量；工作过程中自制自准直仪读取的角度为主轴旋转产生的偏摆角以及镜面与轴线不垂直引起的角度变化之和；其中镜面与轴线不垂直引起的角度变化已在步骤1-6中标定，故得到主轴旋转产生的偏摆角；

步骤2-4：主轴状态分析；由主轴上一点在旋转过程中的径跳及主轴沿此方向的偏摆角，计算出主轴上各点在此方向上的径跳。

本发明的有益效果是实现了主轴径向回转误差的高精度、非接触测量，消除了主轴圆度及表面粗糙度对测量结果的影响；同时也可实现主轴回转角度的高精度定位。

附图说明

图1误差分离装置示意图；

图2径向回转误差测量装置；

图3自制自准直仪；

图4圆光栅测径向误差原理图；

图5主轴径向回转误差测量原理图；

图中：1顶尖A；2主轴；3圆光栅；4光栅读数头A；5自制自准直仪；5-1激光器；5-2PBS分光镜；5-3激光光线；5-4直角反射镜；5-5凸透镜；5-6四象限光电探测器；5-7调整架；6环形平面镜；7光栅读数头B；8法兰盘；9锁紧螺母；10顶尖B；11连接板；12精密转台；13光学平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案。

步骤1，标定安装误差：

步骤1-1：如图1所示，将圆光栅3固定在法兰盘8上，之后将其作为一个整体固定在主轴2的右侧轴肩位置；在主轴2的左侧轴肩位置粘贴一环形平面镜6。

步骤1-2：将装好光栅和平面镜的主轴2用顶尖A1和顶尖B10进行固定。

步骤1-3：将光栅读数头A4和B7对径安装在圆光栅两侧；将自准直仪5固定在主轴2左侧位置，使激光器5-1轴线与两读数头连线平行，并使得光线5-3经直角反射镜5-4反射后打在环形平面镜6上。

步骤1-4：从光栅的零位开始，匀速转动主轴一圈，并记录光栅读数头和自准直仪的读数值。

步骤1-5：进行光栅安装偏心误差标定。如图4原理图所示，假设主轴转过θ角度后，光栅由初始位置O跳动至位置O’，此时读数头会读取ε(θ)的角度误差。由对径安装读数头的特点可知：

读数头A的读数θ_Aread为

θ_Aread＝θ+ε(θ)>

读数头B的读数θ_Bread为：

θ_Bread＝θ-ε(θ)>

故由径跳引起的角度误差ε(θ)为：

由图中几何关系可知此刻主轴在圆光栅位置处的径跳δ为：

δ＝r_E*tanε(θ)>

其中r_E为读数头安装半径。

因主轴为顶尖定位，其顶尖孔连线为固定，所以此时的径跳δ为光栅相对于顶尖孔连线的偏心量。

步骤1-6：镜面与顶尖孔连线不垂直误差标定。主轴由顶尖定位，其顶尖孔连线在主轴旋转过程中固定不动，在步骤1-4旋转主轴一周过程中，自准直仪所测得的角度变化完全由镜面与顶尖孔连线不垂直引起。

将光栅安装偏心误差以及镜面与顶尖孔连线不垂直度误差进行标定后，便可将主轴安装在工作需要的框架中，进行实时监测主轴运动状态。下面结合图2进行详细说明。

步骤2：主轴运动状态检测

步骤2-1：如图2所示，将主轴连同标定好的光栅及平面镜作为一个整体装入工作框架中，其各部件相对位置关系与标定时一致。

步骤2-2：主轴径向误差测量。工作过程中主轴不可避免会产生径向运动误差，因此主轴转动过程中：

读数头A的读数θ_Aread为：

读数头B的读数θ_Bread为：

其中θ为主轴转过的绝对角度，由对径安装读数头的特点可知：

ε(θ)为光栅安装偏心引起的角度误差，已在步骤1-6中进行标定。为主轴径跳引起的角度误差，则有：

同图4原理，已知角度误差则对应的径向误差δ(θ)为：

步骤2-3：主轴偏摆角测量。工作过程中自准直仪读取的角度为主轴旋转产生的偏摆角以及镜面与轴线不垂直引起的角度变化之和。而镜面与轴线不重合产生的角度变化已在步骤1-6中标定，故可得到主轴转动过程中的偏摆角。

步骤2-4：主轴状态分析。如图5所示，虚线代表初始时主轴顶尖孔连线的位置，实线为主轴转过θ角度后顶尖孔连线位置。δ(θ)为上述步骤2-2测得的径向误差，ξ(θ)为上述步骤2-3测得的主轴偏摆角，S为读数头到轴端的距离。根据图中几何关系可求得轴上任意一点距轴端为H处的径向运动误差为：

δ_H(θ)＝(H-S)*tanξ(θ)+δ(θ)>

上述为本发明的具体实施过程，与传统采用接触式位移传感器测量主轴回转误差方法不同，本发明提出了一种主轴上安装双读数头圆光栅配合自准直仪的非接触测量方法。整体的测量结构可以安装在封闭的壳体中，根据圆光栅读数头示值及自准直仪的示值，通过计算实时求得主轴回转误差。采用本发明的结构可以消除主轴圆度以及表面粗糙度对测量结果的影响并可实现主轴回转角度的高精度定位。本方法可应用于一种高精度转台或编码器的设计。