[发明专利]在线测量超精密静压主轴动态性能的装置及采用该装置测量静压主轴动态性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超精密静压主轴动态性能在线测量方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，特别是航空、航天、国防、军工等尖端科学技术的突飞猛进，这些产业对产品的稳定性和使用性能的要求越来越高，比较典型的就是在激光核聚变系统广泛使用的KDP晶体器件，该晶体由于具有软、脆、易潮解等特性，传统的研抛等光学加工方法不能用于大口径KDP晶体的加工，目前单点金刚石飞刀切削加工是实现KDP晶体最终加工的主要手段。切削加工是一种复制式加工，超精密机床的精度决定了零件的加工精度。因此，超精密加工机床是KDP晶体超精密加工的核心与关键，其中超精密主轴是超精密机床的核心部件，超精密主轴的动态性能直接影响到被加工零件的表面质量和制造精度。在实际加工过程中，采用立式超精密飞切加工大口径KDP晶体时，在加工表面不管是沿着工作台进给方向，还是沿着与工作台进给垂直的方向上都存在规则的微波纹，这些微波纹的空间周期在数十微米至数十毫米左右，幅值在数十纳米左右，经研究表明这些微波纹的形成与超精密静压主轴的动态性能有关，如何实现超精密主轴动态性能的在线测量是目前噬待解决的巨大难题。

申请号为200810064030.3的发明专利公开了一种超精密气体静压主轴系统，但现有技术主要是基于静态测试的方法实现对超精密主轴性能的测量，该方法不能反应超精密主轴在实际工作过程中的真实状态和动态性能，即使采用特殊方法能够实现超精密静压主轴的动态性能的在线测量，由于超精密静压主轴的制造精度很高，其旋转过程中产生的动态误差在数十至数百纳米量级，对其动态性能进行检测时测量基准的安装误差和制造误差都会对测量结果造成较为严重的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法不能实现超精密静压主轴动态性能在线测量或现有方法难以解决测量基准的安装误差和制造误差对测量结果产生影响的问题，提出了在线测量超精密静压主轴动态性能的装置及采用该装置测量静压主轴动态性能的方法。

本发明所述在线测量超精密静压主轴动态性能的装置，该装置包括信号采集单元和数据处理单元，所述信号采集单元包括一号高精度位移传感器、传感器支架、二号高精度位移传感器、标准球、检测杆、三号高精度位移传感器和旋转编码器；超精密静压主轴中转子的后端面加工为锥形，作为测量基准面；

检测杆的一端与标准球固定连接，检测杆的另一端带有螺纹，并通过螺纹连接在中空主轴的内部台阶上，标准球紧贴在锥形测量基准面上，传感器支架为下开口结构，传感器支架倒置固定在静压主轴中电机的定子上，一号高精度位移传感器、二号高精度位移传感器和三号高精度位移传感器分别固定在传感器支架上，用于测量超精密静压主轴旋转时标准球与高精度位移传感器与之间的位移；旋转编码器固定在超精密静压主轴上；旋转编码器用于测量主轴旋转时的相位信息；

数据处理单元包括信号放大器、A/D转换电路、数据采集电路和计算机；

一号高精度位移传感器、二号高精度位移传感器和三号高精度位移传感器的采集信号输出端分别连接信号放大器的三个信号输入端；旋转编码器的相位信息的输出端连接计算机的相位信息输入端，信号放大器的放大后信号输出端连接A/D转换电路的放大后信号输入端，A/D转换电路的数字信号输出端连接数据采集电路的数据信号输入端，数据采集电路的采集数据输出端连接计算机的采集数据输入端；

采用上述在线测量超精密静压主轴动态性能的装置测量静压主轴动态性能的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、运行机床使超精密主轴工作，利用一号高精度位移传感器、二号高精度位移传感器和三号高精度位移传感器分别测量出每个位移传感器与标准球之间的位移信息；并将测量每个位移传感器与标准球之间的位移信息传递给信号放大器；

步骤二、利用旋转编码器测量静压主轴中电机旋转的相位信息，并将获得电机旋转的相位信息传递给计算机；

步骤三、采用信号放大器将步骤一获得每个位移传感器与标准球之间的位移信息进行放大，并将放大后的位移传感器与标准球之间的位移信息传递给A/D转换电路；

步骤四、采用A/D转换电路对位移传感器与标准球之间的位移信息进行模数转换，获得数据信息；

步骤五、将步骤四获得的数据信息传递给数据采集电路，采用数据采集电路对步骤四获得数据信息进行采集，并将采集获得的信息传递给计算机；