一種空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置的製作方法

2023-11-06 05:57:22 3

本實用新型屬於精密測量技術領域，具體涉及一種空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置。

背景技術：

隨著科技的不斷發展，超精密加工技術直接反應一個國家的基礎工業水平。空氣靜壓主軸是實現超精密切削加工的重要功能部件，其迴轉誤差會直接映射到加工零件的表面形貌上，從而制約超精密切削工具機加工精度的提升。因此開展空氣靜壓主軸迴轉誤差測量工作對促進超精密加工技術快速發展意義重大。

空氣靜壓主軸的迴轉誤差在數十納米量級，其測量難點在於測量誤差的分離。由傳感器採集得到的測量信號主要包括空氣靜壓主軸的迴轉誤差、標準球的安裝偏心誤差以及標準球的圓度誤差。空氣靜壓主軸迴轉誤差測量的核心思想是使用納米級圓度的標準球，通過誤差分離技術將測量結果中包含的標準球安裝偏心誤差及其圓度誤差分離出來，得到空氣靜壓主軸的納米量級迴轉誤差。為準確測量高精度空氣靜壓主軸的迴轉誤差，國內外發展了單點法、多點法、多步法、反向法等多種測試方法。其中單點法不能有效分離亞微米級的偏心誤差以及數十納米量級的標準球圓度誤差，只能適用於百納米量級以上的迴轉誤差測量；多點法在實際操作過程中需要多個傳感器按照固定角度安裝，在測量誤差分離過程中難以消除傳感器安裝位置偏差以及各傳感器特性不一致帶來的影響；多步法操作步驟繁瑣，且採用多步法求解的迴轉誤差會導致諧波抑制損失；相比而言，反向法操作簡單，理論上可以將標準球圓度誤差和空氣靜壓主軸迴轉誤差完全分離，且該方法只需使用一個傳感器進行測量，避免引入傳感器安裝位置偏差和特性不一致引起的測量誤差。

在反向法中採用去除一次諧波方法能夠基本消除測試信號中標準球安裝偏心所產生的影響。在反向法的測量原理中需要測量用標準球和傳感器同時旋轉180°，且反向前與反向後測量數據中各採樣點所對應的角度必須嚴格對等，才能實現主軸迴轉誤差和標準球圓度誤差的準確分離。

當前，採用反向法實現反向前與反向後測量數據中各採樣點所對應的角度嚴格對等的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置尚未見報導。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置。

本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置，其特點是，所述的測量裝置包括氣浮隔振平臺、主軸安裝支架、空氣靜壓主軸、傳感測量裝置、移動導軌、驅動電機；

其連接關係是：氣浮隔振平臺放置在隔振地基上；主軸安裝支架固定連接於氣浮隔振平臺上；空氣靜壓主軸固定連接於主軸安裝支架上；移動導軌固定連接於氣浮隔振平臺上；傳感測量裝置固定連接於移動導軌上，移動導軌驅動傳感測量裝置進行上下移動；驅動電機固定連接於氣浮隔振平臺，驅動電機驅動空氣靜壓主軸進行迴轉運動。

所述的傳感測量裝置包括讀數頭、圓光柵、分度盤、標準球安裝座、標準球、左右差分螺紋機構，前後差分螺紋機構，上下差分螺紋機構、傳感器安裝支架、非接觸式位移傳感器；

其連接關係是：所述的圓光柵安裝在分度盤上，分度盤安裝在空氣靜壓主軸的轉子頂端，圓光柵、分度盤和空氣靜壓主軸同軸；讀數頭的底部固定在空氣靜壓主軸殼體頂端讀取圓光柵的角度數據；所述的標準球安裝座安裝在分度盤上，標準球安裝在標準球安裝座上；所述的左右差分螺紋機構安裝在移動導軌上，前後差分螺紋機構安裝在左右差分螺紋機構上，上下差分螺紋機構安裝在前後差分螺紋機構上；所述的傳感器安裝支架安裝在上下差分螺紋機構上，非接觸式位移傳感器固定在傳感器安裝支架上，非接觸式位移傳感器讀取標準球的位移數據，左右差分螺紋機構驅動非接觸式位移傳感器左右移動，前後差分螺紋機構驅動非接觸式位移傳感器前後移動，上下差分螺紋機構驅動非接觸式位移傳感器上下移動。

所述的圓光柵的定位精度為0.5角秒。

所述的標準球與空氣靜壓主軸迴轉軸線的偏心調整精度為亞微米級。

所述的標準球的圓度誤差小於等於40nm。

所述的左右差分螺紋機構、前後差分螺紋機構和上下差分螺紋機構的分辨精度為1μm。

所述的非接觸式位移傳感器測量精度為12nm，非接觸式位移傳感器與測量標準球的赤道線的距離範圍為70μm-80μm。

本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置中的左右差分螺紋機構、前後差分螺紋機構、上下差分螺紋機構用於確保標準球赤道線與非接觸式位移傳感器的距離在70μm-80μm；標準球安裝座用於實現標準球與空氣靜壓主軸迴轉軸線亞微米級的偏心調整；傳感器安裝支架用於實現反向測量前與反向測量後非接觸式位移傳感器的180°旋轉定位；分度盤用於實現反向測量前與反向測量後標準球的180°旋轉定位；圓光柵和讀數頭用於實現反向前和反向後測量數據中各採樣點所對應的角度嚴格對等。本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置能夠準確分離空氣靜壓主軸迴轉誤差和標準球圓度誤差，提高空氣靜壓主軸迴轉誤差的測量精度。

附圖說明

圖1為本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置的工作流程圖；

圖2為本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置的結構示意圖；

圖3為本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置的傳感測量裝置結構示意圖。

圖中，1.氣浮隔振平臺 2.主軸安裝支架 3.空氣靜壓主軸 4.傳感測量裝置 5.移動導軌 6.驅動電機；

41.讀數頭 42.圓光柵 43.分度盤 44.標準球安裝座 45.標準球 46.左右差分螺紋機構 47.前後差分螺紋機構 48.上下差分螺紋機構 49.傳感器安裝支架 410.非接觸式位移傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例式對本實用新型做進一步詳細的說明。

如圖1所示，本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置包括氣浮隔振平臺1、主軸安裝支架2、空氣靜壓主軸3、傳感測量裝置4、移動導軌5、驅動電機6；

其連接關係是：氣浮隔振平臺1放置在隔振地基上；主軸安裝支架2固定連接於氣浮隔振平臺1上；空氣靜壓主軸3固定連接於主軸安裝支架2上；移動導軌5固定連接於氣浮隔振平臺1上；傳感測量裝置4固定連接於移動導軌5上，移動導軌5驅動傳感測量裝置4進行上下移動；驅動電機6固定連接於氣浮隔振平臺1，驅動電機6驅動空氣靜壓主軸3進行迴轉運動。

如圖2所示，所述的傳感測量裝置4包括讀數頭41、圓光柵42、分度盤43、標準球安裝座44、標準球45、左右差分螺紋機構46，前後差分螺紋機構47，上下差分螺紋機構48、傳感器安裝支架49、非接觸式位移傳感器410；

其連接關係是：所述的圓光柵42安裝在分度盤43上，分度盤43安裝在空氣靜壓主軸3的轉子頂端，圓光柵42、分度盤43和空氣靜壓主軸3同軸；讀數頭41的底部固定在空氣靜壓主軸3殼體頂端讀取圓光柵42的角度數據；所述的標準球安裝座44安裝在分度盤43上，標準球45安裝在標準球安裝座44上；所述的左右差分螺紋機構46安裝在移動導軌5上，前後差分螺紋機構47安裝在左右差分螺紋機構46上，上下差分螺紋機構48安裝在前後差分螺紋機構47上；所述的傳感器安裝支架49安裝在上下差分螺紋機構48上，非接觸式位移傳感器410固定在傳感器安裝支架49上，非接觸式位移傳感器410讀取標準球45的位移數據，左右差分螺紋機構46驅動非接觸式位移傳感器410左右移動，前後差分螺紋機構47驅動非接觸式位移傳感器410前後移動，上下差分螺紋機構48驅動非接觸式位移傳感器410上下移動。

所述的圓光柵42的定位精度為0.5角秒。

所述的標準球45與空氣靜壓主軸3迴轉軸線的偏心調整精度為亞微米級。

所述的標準球45的圓度誤差小於等於40nm。

所述的左右差分螺紋機構46、前後差分螺紋機構47和上下差分螺紋機構48的分辨精度為1μm。

所述的非接觸式位移傳感器410測量精度為12nm，非接觸式位移傳感器410與測量標準球45的赤道線的距離範圍為70μm-80μm。

本實用新型的空氣靜壓主軸的迴轉誤差測量裝置工作過程如圖3所示，具體流程如下：將待測空氣靜壓主軸3放置在主軸安裝支架2上，使得標準球45與空氣靜壓主軸3迴轉軸線的偏心小於0.5μm，並將標準球45赤道線與非接觸式位移傳感器410的距離調整到70μm-80μm；開啟驅動電機6驅動空氣靜壓主軸3實現迴轉運動，開始正向測量，並採集非接觸式位移傳感器410的位移數據以及圓光柵42對應的角度數據；測量結束後將標準球45和非接觸式位移傳感器410同時旋轉180°，開始反向測量，並採集非接觸式位移傳感器410的位移數據以及圓光柵42對應的角度數據；採用去除一次諧波的方法消除反向前和反向後的測量數據中的偏心誤差；採用反向誤差分離方法得到標準球45的圓度誤差和空氣靜壓主軸3的圓度誤差。其中反向誤差分離方法原理如下：

測得的數據在除去偏心誤差之後包括兩部分，標準球圓度誤差和主軸迴轉誤差，與位移數據和角度數據的關係為：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以求解出標準球圓度誤差和空氣靜壓主軸迴轉誤差為：

(3)

(4)。