[发明专利]一种基于形貌配准分析的精密主轴回转精度检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密主轴回转误差的检测方法。

背景技术

精密回转主轴是精密加工机床和测试设备的关键部件。随着超精密加工和纳米技术的发展，人们对机械零件和测量仪器的精度水平要求越来越高，尤其是高精度回转体部件，如超精密机床主轴、测试转台、激光陀螺仪转子、圆标准器、激光核聚变靶器件等，其制造允差一般在几纳米～几十纳米之间，这已达到或高于现有精密圆度仪的精度水平(径向回转误差约10～50nm)。提高主轴的回转精度以满足极限状态下的零件加工要求和确保测量结果的准确性，成为一项极具挑战的课题。此外，由于精密主轴组成部件本身的制造也处于极限精度状态下，单纯仅靠提高主轴部件的加工精度来保证是难奏效的。误差分离与补偿技术是目前公认的提高精密主轴回转精度的最有效途径。精密主轴，特别是静压气浮主轴的回转误差在一定的工作条件下(转速、温度等条件)是较为恒定的系统误差，这就使得精密主轴的回转误差纳米级精度检测问题，成为确保实现回转误差分离与补偿、提高主轴回转精度的关键。

根据国家标准文件规定，主轴回转误差是指主轴的瞬时回转轴线相对于平均轴线(处于瞬时回转轴线的平均位置处)的位移。主轴回转误差可以大致分为两种基本形式：轴向端面跳动和径向回转误差(包含径向跳动和角度摆动)。对精密主轴回转误差的精密测量方法的研究可追溯到二十世纪初，如Scheslinger最早建立的机床主轴的定量测试方法等。二十世纪五十年代，Tlustry和Bryan建立了完整的主轴定量测试方法并在极坐标系中表达误差结果，成为公认的现代主轴测试技术的奠基人。二十世纪六七十年代，为了开发超精密加工技术，美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室对主轴回转误差进行了研究，解决了主轴运动误差特性的描述、测试及主轴误差运动与工件形状精度的关系三个方面的问题；Donaldson提出了误差分离理论使得主轴回转误差仅受传感器精度、数据获取及结构设计等影响；国际生产技术研究协会(CIRP)经过几年的工作，于1976年正式发表了“关于回转轴性能要求和误差测定的统一”文件。这些文件都成为1985年B89.3.4M国际标准建立的基础(2004年又对此标准作了进一步修改)。进入九十年代以后，国际上又进行了一系列的高精度圆度测量对比，参加的单位有意大利计量所(IMGC)、德国(PTB)、英国Tayor Hobson等等，通过这些对比进一步完善了主轴回转误差的基本理论。ISO/FDIS230-7国际标准中又将回转误差运动分解为同步误差运动和异步误差运动等。在国内，全国高校机械工程测试技术研究会、中国机械工程学会、机械加工学会等单位自八十年代初开始召开全国高精度回转主轴测试方面的学术讨论会，所取得的成果极大地促进了我国主轴回转误差基本理论的发展。

在主轴回转误差的测量和分析方法方面，每一种新技术的引入都使回转误差测试工作产生很大的飞跃。例如，Vanherck和Peters采用的数字处理技术和旋转编码器，不但促进了回转误差测试技术的发展，而且在精密机床主轴制造方面得到广泛应用；Arora及Murthy分别采用旋转变压器和数字陷波滤波器处理回转偏心问题；Chapman采用电容位移传感器实现了5nm分辨率的径向、轴向及倾斜运动误差测量；英国Whitehouse教授对误差分离技术在理论上进行了系统总结，使“多步法”、“反向法”等方法理论化，Chetwynd依据上述方法进行了误差分离实验，得到纳米级的分离重复性误差；Estler和Donaldson采用的反转法测量技术，有效去除了主轴的回转误差，并进一步探讨了多探头法和多转位法的相关理论和回转误差分离、补偿工作。

在国内，近年来也开展了多种回转误差测量方法的研究。如国防科大黄长征采用两点法建立的基于双测头的车床主轴回转误差测试系统，两个传感器在圆周方向相隔180°对称安装固定，车床主轴回转时传感器不动且拾得信号，然后通过消除偏心措施和误差分离技术求得主轴的回转误差运动，且能求得测试轴的圆度误差；哈尔滨工业大学谭久彬等采用多重多步法识别并分离标准器的圆轮廓误差和主轴的回转运动误差，主要解决了谐波抑制问题，以消除原理误差，同时解决误差分离过程的最简化问题，以减小或消除机械、电气漂移和外界干扰的影响；上海交大李自军等采用二次相移三点法在线检测主轴的回转运动误差，采用间隔不等的三个传感器测头获得测量数据，并按二次相移原则重组数据，从而分离出回转误差；中国科技大学王卫东等利用数字图像处理技术，建立了一套主轴回转精度的CCD测量系统，采用光学CCD检测安装在主轴上的光源位置，进而获取主轴回转时的运动误差量，对数据处理和误差评定进行了探讨。