一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统，包括：通过径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值，通过主轴增量式旋转编码器采集主轴轴线的正弦转速信号；位置数据信号传输转换装置将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。本发明专利技术数据采集准确、可靠性高，适用于超精密机床主轴精度的检测。密机床主轴精度的检测。密机床主轴精度的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统


[0001]本专利技术涉及机械工程
，更具体的说是涉及一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统。

技术介绍

[0002]主轴精度是反映机床性能的主要指标之一，主轴回转误差、位置精度是反映主轴动态性能好坏的关键指标,也是影响机床加工精度的重要因素之一。
[0003]目前工程上精密主轴运动精度的检测与评价装置，一般是采用标准球、高精密电容位移传感器、激光转速测速计、高速采集卡等器件搭建的主轴精度误差分析平台，对主轴旋转状态下的误差运动信号、位置和速度信号进行采集。这种精密主轴运动精度的检测与评价方法，应用于精密级主轴是完全可以的，评价的径向误差精度范围在0.5至100μm。但是对于更高精度的超精密级别的主轴，径向误差精度检测评价范围在5
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12.5nm，要求精确的转速周期信号，及纳米级的主轴轴线平均线和标准球球心重合。而目前的数据采集技术不能满足上述要求，主要有以下2个问题：
[0004]第一个问题，实时采集的转速数据失真。
[0005]目前检测与评价方法的转速信号采集，是通过激光转速测速计实时采集转速数据，原理为当激光照射在旋转主轴的定向反射材料上时，会获得返回光束，激光转速计的接收系统接收到反射光线后会产生脉冲信号，以此来记录实时转速。在实际操作中，激光转速测速计采集的数据经常存在误差，对于纳米级别的检测标准，足以导致检测结果超差。
[0006]第二个问题，进行主轴回转误差检测时，需调整标准球球心与主轴轴线同心，标准球球心和主轴轴线的同心越好，得到的回转误差评价结果越好。但是，主轴回转误差分析仪接受激光测速计的主轴转速数据时，要求标准球球心和主轴轴线的必须有偏心量，此偏心量值是通过径向位移传感器测得的，偏心量值过小主轴回转误差分析不接受激光测速计采集的转速数据。
[0007]这样，出现一个矛盾的技术问题：偏心量值调整得越小，可得到好的主轴回转误差分析评价结果；偏心量值调整得太小，主轴回转误差分析仪无法正常采集转速数据。
[0008]要解决以上两个问题，需要着手从位置和速度的数据采集根源解决。因此，如何提供一种不采用激光测速计超精密机床主轴在线精度分析方法与系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0009]有鉴于此，本专利技术提供了一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统，满足了数控系统采用模拟量的控制需求，同时满足了测试系统采用数字信号，也解决了现有技术采用激光转速测速计的弊端。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]一种超精密机床主轴在线精度分析方法，包括：
[0012]通过径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值，并发送给主轴回转误差分析仪，通过主轴增量式旋转编码器采集主轴轴线的正弦转速信号；
[0013]位置数据信号分线装置将正弦转速信号分别发送至数控系统和位置数据信号传输转换装置；
[0014]数控系统通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；
[0015]位置数据信号传输转换装置将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
[0016]主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。
[0017]优选地，主轴回转误差分析仪具体实现过程为：
[0018]主轴回转误差分析仪通过转速计算得到单位时间内的主轴旋转圈数；
[0019]通过每一圈转角位置信息分别与主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值相对应，得到单转径向回转运动轨迹和单转轴向回转运动轨迹；
[0020]基于最小二乘法，将单转径向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转径向回转精度，将单转轴向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转轴向回转精度；
[0021]通过主轴旋转圈数，计算每一圈对应的单转径向回转精度和单转轴向回转精度，并分别对主轴旋转圈数对应的多个单转径向回转精度和多个单转轴向回转精度均方根值，计算得到主轴最终的径向回转精度和轴向回转精度。
[0022]一种超精密机床主轴在线精度分析系统，包括：径向电容位移传感器、轴向电容位移传感器、主轴增量式旋转编码器、位置数据信号分线装置、位置数据信号传输转换装置、数控系统和误差分析仪；
[0023]径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别固定在主轴轴线径向方向和轴向方向，用于采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值；
[0024]主轴增量式旋转编码器固定在主轴端，用于采集主轴轴线正弦的转速信号；
[0025]数控系统用于通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；
[0026]位置数据信号传输转换装置用于将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；
[0027]主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。
[0028]优选地，主轴回转误差分析仪具体实现过程为：
[0029]主轴回转误差分析仪通过转速计算得到单位时间内的主轴旋转圈数；
[0030]通过每一圈转角位置信息分别与主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值相对应，得到单转径向回转运动轨迹和单转轴向回转运动轨迹；
[0031]基于最小二乘法，将单转径向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转径向回转精度，将单转轴向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转轴向回转精度；
[0032]通过主轴旋转圈数，计算每一圈对应的单转径向回转精度和单转轴向回转精度，并分别对主轴旋转圈数对应的多个单转径向回转精度和多个单转轴向回转精度均方根值，计算得到主轴最终的径向回转精度和轴向回转精度。
[0033]优选地，主轴增量式旋转编码器包括光电码盘、光电发射器和光电接收器，光电码盘安装于主轴回转体上，随主轴一同旋转运动，光电发射器和光电接收器安装于主轴箱固定位置；光电码盘圆周上有均匀的环形明、暗的刻线，光电发射器用于将光线照射在运动的光电码盘上，光电码盘再将此路光线反射回光电接收器。
[0034]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种超精密机床主轴在线精度分析方法与系统，数据采集准确、可靠性高，适用于超精密机床主轴精度的检测。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超精密机床主轴在线精度分析方法，其特征在于，包括：通过径向电容位移传感器和轴向电容位移传感器分别采集主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值，并发送给主轴回转误差分析仪，通过主轴增量式旋转编码器采集主轴轴线的正弦转速信号；位置数据信号分线装置将正弦转速信号分别发送至数控系统和位置数据信号传输转换装置；数控系统通过正弦转速信号得到主轴实时的转速和转角位置信息，与输入的数控指令作比较，如果与设定的转速和转角位置值超差，通过主轴伺服单元控制主轴电机对转速和转角位置进行纠偏；位置数据信号传输转换装置将正弦转速信号转换为数字信号，得到数字形式的主轴实时的转速和转角位置信息，并发送至主轴回转误差分析仪；主轴回转误差分析仪基于转速、转角位置信息、径向位移运动值和轴向位移运动值，通过最小二乘法计算主轴径向回转精度和轴向回转精度。2.根据权利要求1所述的一种超精密机床主轴在线精度分析方法，其特征在于，主轴回转误差分析仪具体实现过程为：主轴回转误差分析仪通过转速计算得到单位时间内的主轴旋转圈数；通过每一圈转角位置信息分别与主轴轴线径向位移运动值和轴向位移运动值相对应，得到单转径向回转运动轨迹和单转轴向回转运动轨迹；基于最小二乘法，将单转径向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转径向回转精度，将单转轴向回转运动轨迹和预设的标准圆半径对比，得到单转轴向回转精度；通过主轴旋转圈数，计算每一圈对应的单转径向回转精度和单转轴向回转精度，并分别对主轴旋转圈数对应的多个单转径向回转精度和多个单转轴向回转精度均方根值，计算得到主轴最终的径向回转精度和轴向回转精度。3.一种超精密机床主轴在线精度分析系统，其特征在于，包括：径向电容位移传感器、轴向电容位移传感器、主轴增量式旋转编码器、位置数据信号分线装置、位置数据信号传输转换装置、数控系统和误差分析仪；径向电容位移传感器和轴向电容位移传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴东旭，索奇，文平阶，李军，肖北川，
申请(专利权)人：通用技术集团机床工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：