一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置及方法与流程

技术特征：
1.一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，所适用的机床包括主轴箱(1)、主轴(2)、主轴端面定位键(3)、刀柄(4)和机床工作台(15)，其特征在于，该在机测量装置包括：芯轴(5)、第一非接触位移传感器(6)、第二非接触位移传感器(7)、第三非接触位移传感器(8)、第四非接触位移传感器(9)、第五非接触位移传感器(10)、传感器支架(11)、3轴精密调整平台(12)、连接板(13)、可调磁力底座(14)和数据处理模块，其中，所述芯轴(5)作为第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)的测量目标，通过刀柄(4)装夹于主轴(2)上，所述芯轴(5)、所述刀柄(4)和所述主轴(2)的轴线重合，所述主轴(2)通过一对对称安装的主轴端面定位键(3)定位刀柄4的角度位置及传递切削扭矩；第一、二非接触位移传感器(6，7)分别沿机床x、y进给轴方向有间隙地布置在第一测量点对应的芯轴(5)壁面的外侧；第三、四非接触位移传感器(8，9)分别沿机床x、y进给轴方向有间隙地布置在第二测量点对应的芯轴(5)壁面的外侧；第一、二测量点均为所述芯轴(5)的轴线上的点，且第一测量点在第一、二非接触位移传感器(6，7)的轴线上，第二测量点在第三、四非接触位移传感器(8，9)的轴线上；所述第五非接触位移传感器(10)有间隙地布置在所述芯轴(5)的底部下方且轴线与芯轴(5)重合；第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)均通过传感器支架(11)与所述3轴精密调整平台(12)固定连接，所述3轴精密调整平台(12)固连于所述可调磁力底座(14)上，所述可调磁力底座(14)通过磁力吸附于机床工作台(15)上；所述数据处理模块用于接收第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)测量的信号，并对信号进行处理，得到机床主轴的径向、轴向、倾斜角度误差和/或芯轴圆度误差。2.如权利要求1所述的一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，其特征在于，当采用donaldson反向法对芯轴(5)圆度误差与主轴(2)误差进行分离时，通过所述刀柄(4)将所述芯轴(5)反向装夹在主轴(2)上，通过所述一对对称安装的主轴端面定位键(3)将所述刀柄(4)反向定位在所述主轴(2)上，通过所述3轴精密调整平台(12)对第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)进行反向旋转与定位。3.如权利要求1或2所述的一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，其特征在于，第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)的轴线与所述芯轴(5)的轴线在x、y进给轴方向和回转角度方向的相对位置通过所述3轴精密调整平台(12)进行调整，调整后，第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)的轴线与芯轴(5)的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1μm。4.如权利要求3所述的一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，其特征在于，所述第一非接触位移传感器(6)和所述第二非接触位移传感器(7)用于测量所述第一测量点处的主轴径向误差运动。5.如权利要求4所述的一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，其特征在于，所述第三非接触位移传感器(8)和所述第四非接触位移传感器(9)用于测量所述第二测量点处的主轴径向误差运动。6.如权利要求5所述的一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，其特征在于，所述第五非接触位移传感器(10)用于测量所述芯轴(5)的轴向误差运动。7.权利要求1-6任一所述装置的传感器与芯轴的相对位置调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a1)移动主轴(2)、机床工作台(15)或可调磁力底座(14)的位置，使第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)的轴线大致对准芯轴(5)的轴线，即第一、二非接触位移传感器(6，7)的轴线大致对准第一测量点，第三、四非接触位移传感器(8，9)的轴线大致对准第二测量点，第五非接触位移传感器(10)的轴线大致与芯轴(5)的轴线重合；(a2)转动所述3轴精密调整平台(12)的y向螺旋微动手柄，使第一非接触位移传感器(6)的测量值为最小，锁紧3轴精密调整平台(12)的y向锁紧螺母；(a3)转动所述3轴精密调整平台(12)的x向螺旋微动手柄，使第二非接触位移传感器(7)的测量值为最小，锁紧3轴精密调整平台12的x向锁紧螺母；(a4)在所述y向锁紧螺母、x向锁紧螺母锁紧的前提下，分别沿y向或x向移动第一至第四非接触位移传感器(6,7,8,9)以调整其与芯轴外圆面的距离，沿z向移动第五非接触位移传感器(10)以调整其与芯轴底面的距离，使各传感器的测量值大致处于其量程中间位置，将各传感器固定在传感器支架(11)上。8.基于权利要求1-6任一所述装置的机床主轴倾斜角度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(s1)通过3轴精密调整平台(12)调整使得第一至第五非接触位移传感器(6,7,8,9,10)的轴线与芯轴(5)的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1μm；(s2)启动主轴(2)使其以指定转速稳定旋转，记录第一至第四非接触位移传感器(6,7,8,9)的测量数据，依次记为δx1(θ)、δy1(θ)、δx2(θ)和δy2(θ)，则回转过程中主轴轴线的平面角φ(θ)和倾斜角α(θ)分别由下式计算：斜角α(θ)分别由下式计算：式中，θ为主轴转角，d为第一、二测量点在z进给轴方向的距离。9.基于权利要求1-6任一所述装置的芯轴圆度误差分离方法，其特征在于，包括如下步骤：(t1)通过3轴精密调整平台(12)调整使得传感器的轴线与芯轴(5)的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1μm；所述传感器为第一非接触位移传感器(6)、第二非接触位移传感器(7)、第三非接触位移传感器(8)或第四非接触位移传感器(9)；(t2)启动主轴使其以指定转速稳定旋转，记录所述传感器的测量数据，记为m
f
(θ)；(t3)通过刀柄(4)将芯轴(5)反向装夹在主轴(2)上，通过一对对称安装的主轴端面定位键(3)将刀柄(4)反向定位在主轴(2)上，通过3轴精密调整平台(12)对所述传感器进行反向旋转与定位；所述刀柄(4)与所述传感器的反向旋转方向与角度相同；(t4)反向后再次通过3轴精密调整平台(12)调整使得所述传感器的轴线与芯轴(5)的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1μm；(t5)启动主轴使其以指定转速稳定旋转，记录所述传感器的测量数据，记为m
r
(θ)；则主轴误差运动s(θ)和芯轴圆度误差r(θ)分别由下式计算：

技术总结
本发明公开了一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置及方法，属于精密测量领域，装置包括：芯轴、第一至第五非接触位移传感器、传感器支架、3轴精密调整平台、连接板、可调磁力底座和数据处理模块；其中两个非接触位移传感器布置在第一测量点处，另有两个非接触位移传感器布置在的第二测量点处，测量主轴径向误差运动；两测量点的径向误差运动的对应点的连线就是主轴轴线的空间方向，以此测量出主轴回转过程中轴线的倾斜角度；利用Donaldson反向法实现芯轴圆度误差与主轴误差运动的在机测量分离。本发明实现主轴回转过程中的径向误差运动、轴向误差运动和倾斜角度的在机综合测量，且有效去除芯轴圆度误差的影响，提高了主轴回转误差运动的测量精度。轴回转误差运动的测量精度。轴回转误差运动的测量精度。


技术研发人员：孔刚 杨建中 陈吉红
受保护的技术使用者：武汉华中数控股份有限公司
技术研发日：2021.09.14
技术公布日：2022/1/14