一種空氣主軸振動(dòng)精密測(cè)量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超精密加工中振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，具體設(shè)及一種空氣主軸振動(dòng)精密測(cè)量裝 置及其方法，用于高速旋轉(zhuǎn)空氣主軸振動(dòng)的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 在加工精度為100納米W下，表面粗糖度優(yōu)于10納米的超精密加工過(guò)程中，空氣主 軸是超精密加工機(jī)床中十分重要的部件，空氣主軸轉(zhuǎn)子的振動(dòng)直接影響刀具的振動(dòng)，從而 降低被加工零件的表面質(zhì)量，增加了工件的粗糖度，因此，對(duì)于振動(dòng)量在100納米W內(nèi)的空 氣主軸精密測(cè)量的研究是十分迫切的。
[0003] 空氣主軸由殼體、轉(zhuǎn)子、空氣軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主軸冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、裝刀單元 和夾緊系統(tǒng)等構(gòu)成。其中空氣主軸的殼體是靜止不動(dòng)的，轉(zhuǎn)子被空氣軸承支撐著，驅(qū)動(dòng)電機(jī) 帶動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)。
[0004] 空氣主軸的振動(dòng)影響超精密加工中被加工零件的表面質(zhì)量，空氣主軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)的 測(cè)量結(jié)果往往包含被測(cè)物體與空氣主軸轉(zhuǎn)子的偏屯、距W及被測(cè)物體的圓度誤差，故空氣主 軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)量的獲取十分困難。在空氣主軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)的測(cè)量過(guò)程中，精密的測(cè)試儀器、精確 的測(cè)試方法W及準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析對(duì)獲取空氣主軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)量至關(guān)重要。
[0005] 空氣主軸轉(zhuǎn)子不僅轉(zhuǎn)速高（最高可達(dá)350000R/min)，而且振動(dòng)位移也?。ㄔ趌OOnm W內(nèi)）。然而現(xiàn)有位移傳感器（電滿(mǎn)流傳感器、電容傳感器等）的帶寬低、線(xiàn)性度差、精度不 高，轉(zhuǎn)速傳感器(編碼器、霍爾傳感器等)存在無(wú)法測(cè)高速運(yùn)動(dòng)W及有外力作用的問(wèn)題，故無(wú) 法滿(mǎn)足空氣主軸振動(dòng)的測(cè)量要求。另外，現(xiàn)有測(cè)量方法(打表測(cè)量法、單向測(cè)量法、雙向測(cè)量 法等)存在引入錐孔的偏屯、誤差、測(cè)量角度和方向不準(zhǔn)確W及缺少準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析等問(wèn)題， 故無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算出超精密機(jī)床中空氣主軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)的位移信號(hào)。
[0006] 為準(zhǔn)確說(shuō)明本發(fā)明所設(shè)及的位置關(guān)系，在申請(qǐng)文件中使用空間Χ、Υ、Ζ直角坐標(biāo)系， 如圖1所示，Υ軸、Ζ軸互相垂直且位于紙面內(nèi)，Υ軸正向垂直向上，Ζ軸正向向左，X軸垂直于Υ Ζ平面(紙面），Χ軸正向指向讀者，與Υ、Ζ軸正向呈右手螺旋關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種空氣主軸振動(dòng)精密測(cè)量裝置，同時(shí)提供其測(cè)量方法，解決現(xiàn)有測(cè) 量裝置存在無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)物體的問(wèn)題和現(xiàn)有測(cè)量方法存在測(cè)量角度和方向不 準(zhǔn)確W及缺少準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析的問(wèn)題。
[000引本發(fā)明所提供的一種空氣主軸振動(dòng)精密測(cè)量裝置，包括隔振平臺(tái)、支撐框架、主軸 固定組件、正X向激光組件、Ζ向激光組件、Υ向激光組件、負(fù)X向激光組件、紅外線(xiàn)測(cè)量組件、 下斜方棱鏡組件、上斜方棱鏡組件、角錐棱鏡組件，其特征在于：
[0009]所述支撐框架為框架結(jié)構(gòu)，包括左前立柱、左后立柱、右前立柱、右后立柱、左上橫 梁、右上橫梁、上連接梁、前橫梁和后橫梁；左前立柱、左后立柱、右前立柱和右后立柱互相 平行，垂直固定于所述隔振平臺(tái)上，左前立柱和左后立柱頂端通過(guò)左上橫梁連接，構(gòu)成口框 形，右前立柱和右后立柱頂端通過(guò)右上橫梁連接，構(gòu)成口框形，左上橫梁和右上橫梁通過(guò)上 連接梁連接;左前立柱和右前立柱之間通過(guò)前橫梁連接，左后立柱和右后立柱之間通過(guò)后 橫梁連接；
[0010] 所述主軸固定組件位于所述支撐框架內(nèi)，包括主軸固定架、主軸支撐架、主軸夾 頭、連接桿和標(biāo)準(zhǔn)球，主軸固定架安裝在主軸支撐架上，用于夾持空氣主軸，主軸支撐架通 過(guò)螺栓固定在隔振平臺(tái)上;在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，主軸夾頭安裝在待測(cè)空氣主軸一端，用于夾持連 接桿，連接桿末端粘接標(biāo)準(zhǔn)球，所述標(biāo)準(zhǔn)球的尺寸精度小于100納米，圓度優(yōu)于50納米；
[0011] 所述正X向激光組件、Z向激光組件、Y向激光組件、負(fù)X向激光組件的組成和結(jié)構(gòu)完 全相同；
[0012] 所述正X向激光組件包括正X向激光頭、正X向光學(xué)調(diào)整架和正X向位移平臺(tái)，正X向 激光頭安裝在正X向光學(xué)調(diào)整架上，后者固定在正X向位移平臺(tái)上，正X向位移平臺(tái)固定在支 撐框架的前橫梁上，實(shí)現(xiàn)正X向光學(xué)調(diào)整架在XZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)；
[0013] Z向激光組件包括Z向激光頭、Z向光學(xué)調(diào)整架和Z向位移平臺(tái)，Z向激光頭安裝在Z 向光學(xué)調(diào)整架上，后者固定在Z向位移平臺(tái)上，Z向位移平臺(tái)固定在升降平臺(tái)上，升降平臺(tái)固 定在隔振平臺(tái)上，Z向位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Z向光學(xué)調(diào)整架在XZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，升降平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Z向位 移平臺(tái)在XY平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)(Y向的運(yùn)動(dòng)）；
[0014] Y向激光組件包括Y向激光頭、Y向光學(xué)調(diào)整架和Y向位移平臺(tái)，Y向激光頭安裝在Y 向光學(xué)調(diào)整架上，后者固定在Y向位移平臺(tái)上，Y向位移平臺(tái)固定在支撐框架的上連接梁上， 實(shí)現(xiàn)Y向光學(xué)調(diào)整架在YZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)；
[001引負(fù)X向激光組件包括負(fù)X向激光頭、負(fù)X向光學(xué)調(diào)整架和負(fù)X向位移平臺(tái)，負(fù)X向激光 頭安裝在負(fù)X向光學(xué)調(diào)整架上，后者固定在負(fù)X向位移平臺(tái)上，負(fù)X向位移平臺(tái)固定在支撐框 架的后橫梁上，實(shí)現(xiàn)負(fù)X向光學(xué)調(diào)整架在XZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)；
[0016] 所述紅外線(xiàn)測(cè)量組件由紅外線(xiàn)傳感器和紅外磁力表座組成，紅外線(xiàn)傳感器通過(guò)紅 外磁力表座固定在隔振平臺(tái)上；
[0017] 所述下斜方棱鏡組件和上斜方棱鏡組件的組成和結(jié)構(gòu)完全相同：下斜方棱鏡組件 由下斜方棱鏡和下磁力表座構(gòu)成;上斜方棱鏡組件由上斜方棱鏡和上磁力表座構(gòu)成；
[0018] 所述角錐棱鏡組件由角錐棱鏡、棱鏡光學(xué)調(diào)整架和棱鏡磁力表座構(gòu)成；
[0019] 當(dāng)對(duì)各激光組件中激光頭所發(fā)出激光束進(jìn)行對(duì)焦時(shí)，下斜方棱鏡通過(guò)下磁力表座 固定在隔振平臺(tái)上，而上斜方棱鏡通過(guò)上磁力表座固定在上連接梁上；角錐棱鏡安裝在棱 鏡光學(xué)調(diào)整架上，棱鏡光學(xué)調(diào)整架再通過(guò)棱鏡磁力表座固定在隔振平臺(tái)上。
[0020] 所述空氣主軸振動(dòng)精密測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括激光束對(duì)焦步驟、測(cè)量空氣主 軸跳動(dòng)量步驟、計(jì)算偏屯、距步驟、計(jì)算圓度誤差步驟和計(jì)算振動(dòng)量步驟，其特征在于：
[0021] (1)激光束對(duì)焦步驟：
[0022] 將空氣主軸安裝在主軸固定架上，在轉(zhuǎn)子的左端安裝連接桿，連接桿末端粘接標(biāo) 準(zhǔn)球，同時(shí)在連接桿外表面沿母線(xiàn)粘貼一條黑色標(biāo)簽；調(diào)整正X向、負(fù)X向、Y向、Z向激光組 件，使得正X向、Y向、Z向激光束W及負(fù)X向、Y向、Z向激光束兩兩相互垂直且都沿著標(biāo)準(zhǔn)球的 法線(xiàn)方向；
[0023] (2)測(cè)量空氣主軸跳動(dòng)量步驟：
[0024] 將紅外線(xiàn)測(cè)量組件的紅外線(xiàn)傳感器從徑向?qū)?zhǔn)空氣主軸連接桿，當(dāng)檢測(cè)到空氣主 軸連接桿上黑色標(biāo)簽，紅外線(xiàn)傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，觸發(fā)正X向、負(fù)X向、Υ向、z向激光頭同時(shí) 開(kāi)始測(cè)量空氣主軸上標(biāo)準(zhǔn)球的跳動(dòng)量，得到標(biāo)準(zhǔn)球正X向跳動(dòng)量s+x(i X Δ Θ)、負(fù)X向跳動(dòng)量 s-x(iX ΔΘ)、Υ向跳動(dòng)量sY(iX ΔΘ)、Ζ向跳動(dòng)量sz(iX ΔΘ)，其中，i為采樣點(diǎn)序號(hào)，ΔΘ為采 樣間隔，i = 〇、l、…、n-l，n為標(biāo)準(zhǔn)球圓周上采集的點(diǎn)數(shù)
[00巧](3)計(jì)算偏屯、距步驟：
[0026] 分別對(duì)正X向、負(fù)X向和Y向跳動(dòng)量進(jìn)行傅里葉變換，根據(jù)第一階傅里葉系數(shù)，計(jì)算 出標(biāo)準(zhǔn)球與空氣主軸轉(zhuǎn)子在正X向、負(fù)X向、Y向的偏屯、距e+x(iX Δ 0)、e-x(iX Δ 0)、eY(iX Δ θ);
[0027] (4)計(jì)算圓度誤差步驟：
[00%]根據(jù)正X向與負(fù)X向跳動(dòng)量移除偏屯、距后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)及離 散傅里葉逆變換（IDFT)，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)球正X向圓度誤差r(iX ΔΘ)、標(biāo)準(zhǔn)球負(fù)X向圓度誤差r (iX Δθ+Ji)、標(biāo)準(zhǔn)球Y向圓度誤差r(iX ΔΘ+π/2);
[0029] (5)計(jì)算振動(dòng)量步驟：
[0030] 計(jì)算空氣主軸轉(zhuǎn)子正X向振動(dòng)量x+(ix Δ Θ)、空氣主軸轉(zhuǎn)子負(fù)X向振動(dòng)量x-(iX Δ Θ)、空氣主軸轉(zhuǎn)子Y向振動(dòng)量y(ix ΔΘ)、空氣主軸轉(zhuǎn)子Z向振動(dòng)量z(iX ΔΘ):
[0031 ] χ+(?