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

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110084661.3
• 申請(qǐng)日: 2011-04-06
• 公開（公告）號(hào): CN102252617A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙學(xué)森;孫濤;閆永達(dá);胡振江;吳玉東;董申
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02;B23Q17/00
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• 代理人: 暫無信息

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(jī)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(duì)機(jī)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(jī)床主軸、測試轉(zhuǎn)臺(tái)、激光陀螺儀轉(zhuǎn)子、圓標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(zhǔn)確性，成為一項(xiàng)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(bǔ)償技術(shù)是目前公認(rèn)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(jí)精度檢測問題，成為確保實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)誤差分離與補(bǔ)償、提高主軸回轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定，主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于平均軸線(處于瞬時(shí)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(dòng)和徑向回轉(zhuǎn)誤差(包含徑向跳動(dòng)和角度擺動(dòng))。對(duì)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(jì)初，如Scheslinger最早建立的機(jī)床主軸的定量測試方法等。二十世紀(jì)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(biāo)系中表達(dá)誤差結(jié)果，成為公認(rèn)的現(xiàn)代主軸測試技術(shù)的奠基人。二十世紀(jì)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(shí)驗(yàn)室對(duì)主軸回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行了研究，解決了主軸運(yùn)動(dòng)誤差特性的描述、測試及主軸誤差運(yùn)動(dòng)與工件形狀精度的關(guān)系三個(gè)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(jì)等影響；國際生產(chǎn)技術(shù)研究協(xié)會(huì)(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(biāo)準(zhǔn)建立的基礎(chǔ)(2004年又對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)作了進(jìn)一步修改)。進(jìn)入九十年代以后，國際上又進(jìn)行了一系列的高精度圓度測量對(duì)比，參加的單位有意大利計(jì)量所(IMGC)、德國(PTB)、英國Tayor?Hobson等等，通過這些對(duì)比進(jìn)一步完善了主軸回轉(zhuǎn)誤差的基本理論。ISO/FDIS230-7國際標(biāo)準(zhǔn)中又將回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)分解為同步誤差運(yùn)動(dòng)和異步誤差運(yùn)動(dòng)等。在國內(nèi)，全國高校機(jī)械工程測試技術(shù)研究會(huì)、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)、機(jī)械加工學(xué)會(huì)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(huì)，所取得的成果極大地促進(jìn)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(jìn)了回轉(zhuǎn)誤差測試技術(shù)的發(fā)展，而且在精密機(jī)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(shí)現(xiàn)了5nm分辨率的徑向、軸向及傾斜運(yùn)動(dòng)誤差測量；英國Whitehouse教授對(duì)誤差分離技術(shù)在理論上進(jìn)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(jìn)行了誤差分離實(shí)驗(yàn)，得到納米級(jí)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(jìn)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(bǔ)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(diǎn)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(gè)傳感器在圓周方向相隔180°對(duì)稱安裝固定，車床主軸回轉(zhuǎn)時(shí)傳感器不動(dòng)且拾得信號(hào)，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(yùn)動(dòng)，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(shí)別并分離標(biāo)準(zhǔn)器的圓輪廓誤差和主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差，主要解決了諧波抑制問題，以消除原理誤差，同時(shí)解決誤差分離過程的最簡化問題，以減小或消除機(jī)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(diǎn)法在線檢測主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差，采用間隔不等的三個(gè)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(jìn)而獲取主軸回轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)誤差量，對(duì)數(shù)據(jù)處理和誤差評(píng)定進(jìn)行了探討。