[發(fā)明專利]一種基于形貌配準分析的精密主軸回轉(zhuǎn)精度檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110084661.3
• 申請日: 2011-04-06
• 公開（公告）號: CN102252617A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙學(xué)森;孫濤;閆永達;胡振江;吳玉東;董申
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;B23Q17/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種精密主軸回轉(zhuǎn)誤差的檢測方法。

背景技術(shù)

精密回轉(zhuǎn)主軸是精密加工機床和測試設(shè)備的關(guān)鍵部件。隨著超精密加工和納米技術(shù)的發(fā)展，人們對機械零件和測量儀器的精度水平要求越來越高，尤其是高精度回轉(zhuǎn)體部件，如超精密機床主軸、測試轉(zhuǎn)臺、激光陀螺儀轉(zhuǎn)子、圓標準器、激光核聚變靶器件等，其制造允差一般在幾納米～幾十納米之間，這已達到或高于現(xiàn)有精密圓度儀的精度水平(徑向回轉(zhuǎn)誤差約10～50nm)。提高主軸的回轉(zhuǎn)精度以滿足極限狀態(tài)下的零件加工要求和確保測量結(jié)果的準確性，成為一項極具挑戰(zhàn)的課題。此外，由于精密主軸組成部件本身的制造也處于極限精度狀態(tài)下，單純僅靠提高主軸部件的加工精度來保證是難奏效的。誤差分離與補償技術(shù)是目前公認的提高精密主軸回轉(zhuǎn)精度的最有效途徑。精密主軸，特別是靜壓氣浮主軸的回轉(zhuǎn)誤差在一定的工作條件下(轉(zhuǎn)速、溫度等條件)是較為恒定的系統(tǒng)誤差，這就使得精密主軸的回轉(zhuǎn)誤差納米級精度檢測問題，成為確保實現(xiàn)回轉(zhuǎn)誤差分離與補償、提高主軸回轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵。

根據(jù)國家標準文件規(guī)定，主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸的瞬時回轉(zhuǎn)軸線相對于平均軸線(處于瞬時回轉(zhuǎn)軸線的平均位置處)的位移。主軸回轉(zhuǎn)誤差可以大致分為兩種基本形式：軸向端面跳動和徑向回轉(zhuǎn)誤差(包含徑向跳動和角度擺動)。對精密主軸回轉(zhuǎn)誤差的精密測量方法的研究可追溯到二十世紀初，如Scheslinger最早建立的機床主軸的定量測試方法等。二十世紀五十年代，Tlustry和Bryan建立了完整的主軸定量測試方法并在極坐標系中表達誤差結(jié)果，成為公認的現(xiàn)代主軸測試技術(shù)的奠基人。二十世紀六七十年代，為了開發(fā)超精密加工技術(shù)，美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室對主軸回轉(zhuǎn)誤差進行了研究，解決了主軸運動誤差特性的描述、測試及主軸誤差運動與工件形狀精度的關(guān)系三個方面的問題；Donaldson提出了誤差分離理論使得主軸回轉(zhuǎn)誤差僅受傳感器精度、數(shù)據(jù)獲取及結(jié)構(gòu)設(shè)計等影響；國際生產(chǎn)技術(shù)研究協(xié)會(CIRP)經(jīng)過幾年的工作，于1976年正式發(fā)表了“關(guān)于回轉(zhuǎn)軸性能要求和誤差測定的統(tǒng)一”文件。這些文件都成為1985年B89.3.4M國際標準建立的基礎(chǔ)(2004年又對此標準作了進一步修改)。進入九十年代以后，國際上又進行了一系列的高精度圓度測量對比，參加的單位有意大利計量所(IMGC)、德國(PTB)、英國Tayor?Hobson等等，通過這些對比進一步完善了主軸回轉(zhuǎn)誤差的基本理論。ISO/FDIS230-7國際標準中又將回轉(zhuǎn)誤差運動分解為同步誤差運動和異步誤差運動等。在國內(nèi)，全國高校機械工程測試技術(shù)研究會、中國機械工程學(xué)會、機械加工學(xué)會等單位自八十年代初開始召開全國高精度回轉(zhuǎn)主軸測試方面的學(xué)術(shù)討論會，所取得的成果極大地促進了我國主軸回轉(zhuǎn)誤差基本理論的發(fā)展。

在主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量和分析方法方面，每一種新技術(shù)的引入都使回轉(zhuǎn)誤差測試工作產(chǎn)生很大的飛躍。例如，Vanherck和Peters采用的數(shù)字處理技術(shù)和旋轉(zhuǎn)編碼器，不但促進了回轉(zhuǎn)誤差測試技術(shù)的發(fā)展，而且在精密機床主軸制造方面得到廣泛應(yīng)用；Arora及Murthy分別采用旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)字陷波濾波器處理回轉(zhuǎn)偏心問題；Chapman采用電容位移傳感器實現(xiàn)了5nm分辨率的徑向、軸向及傾斜運動誤差測量；英國Whitehouse教授對誤差分離技術(shù)在理論上進行了系統(tǒng)總結(jié)，使“多步法”、“反向法”等方法理論化，Chetwynd依據(jù)上述方法進行了誤差分離實驗，得到納米級的分離重復(fù)性誤差；Estler和Donaldson采用的反轉(zhuǎn)法測量技術(shù)，有效去除了主軸的回轉(zhuǎn)誤差，并進一步探討了多探頭法和多轉(zhuǎn)位法的相關(guān)理論和回轉(zhuǎn)誤差分離、補償工作。

在國內(nèi)，近年來也開展了多種回轉(zhuǎn)誤差測量方法的研究。如國防科大黃長征采用兩點法建立的基于雙測頭的車床主軸回轉(zhuǎn)誤差測試系統(tǒng)，兩個傳感器在圓周方向相隔180°對稱安裝固定，車床主軸回轉(zhuǎn)時傳感器不動且拾得信號，然后通過消除偏心措施和誤差分離技術(shù)求得主軸的回轉(zhuǎn)誤差運動，且能求得測試軸的圓度誤差；哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬等采用多重多步法識別并分離標準器的圓輪廓誤差和主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差，主要解決了諧波抑制問題，以消除原理誤差，同時解決誤差分離過程的最簡化問題，以減小或消除機械、電氣漂移和外界干擾的影響；上海交大李自軍等采用二次相移三點法在線檢測主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差，采用間隔不等的三個傳感器測頭獲得測量數(shù)據(jù)，并按二次相移原則重組數(shù)據(jù)，從而分離出回轉(zhuǎn)誤差；中國科技大學(xué)王衛(wèi)東等利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立了一套主軸回轉(zhuǎn)精度的CCD測量系統(tǒng)，采用光學(xué)CCD檢測安裝在主軸上的光源位置，進而獲取主軸回轉(zhuǎn)時的運動誤差量，對數(shù)據(jù)處理和誤差評定進行了探討。