一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及提供一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统,包括磁性表架、电涡流传感器、前置器、供电电源、数据采集卡、上位机，所述电涡流传感器固定在所述磁性表架上、并对称安装在被测主轴的两侧、且通过电缆与所述前置器的输入端连接，所述数据采集卡的输入端与所述前置器的输出端通过电缆连接、输出端与所述上位机通过USB数据线连接，所述供电电源与所述前置器通过电缆连接。本实用新型具有经济性好、测量精度高、便于携带和安装调试等优点。
【专利说明】一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及精密测量【技术领域】，具体涉及一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统。
【背景技术】
[0002]精密主轴作为精密和超精密数控机床的重要部件，其回转精度是保证机床完成精确运动的关键因素，精密主轴的回转误差是影响精密机床加工精度的重要原因之一。
[0003]由于主轴的回转误差无法避免，现阶段降低主轴回转误差的方法主要是提高主轴支撑刚度，包括对轴承性能的改善、主轴受力情况的改善等。但是随着主轴回转精度的提高，这些方法受到了机床制造成本与现阶段轴承技术的极大制约。这些问题的出现使得误差补偿与误差预防这一方法慢慢被各大机床制造商所接受。这种技术的主要方法是利用精密测量装置得到机床在某一加工情况下的回转误差规律，并通过数控系统进行静态或动态的加工补偿，用来消除机床回转误差对被加工工件精度的影响。
[0004]在误差补偿与预防的过程中，精密测量装置是其核心，只有得到了精确的回转误差规律才能正确补偿加工误差。
[0005]目前大部分生产单位主要采用传统接触式的打表测量法，这种方法使用成本低，易于安装和调试，简单可行。但是存在着一些缺点:1.接触式测量精度较低，且被测误差中掺入了主轴的圆度误差；2.不能实现动态测量。
[0006]虽然近几年发展起来的一些非接触式测量系统，其测量精度很高，但是由于测量装置的结构限制，无法实现在线测量以及适应不同的工况，而且其成本较高，没有得到广泛的应用。
[0007]在目前已有专利中，专利201120083738.0《轴回转误差模拟检测装置》公布了一种轴回转误差模拟检测装置，该检测装置结构简单，设计合理，传感器安装架及传感器支架、传感器安装架上的固定孔，不仅可保证轴的径向测量位置，而且构成简支梁结构，高速回转轴所产生的振动，不会使传感器测量头的方向发生改变，可以达到准确测量的目的。但是其所得的回转误差没有进行误差分离，里面包含了主轴的圆度误差，测量精度较低。
[0008]专利201410042639.6《一种精密主轴回转精度检测装置及方法》公布了一种精密主轴回转精度检测装置，该检测装置利用了原子力显微镜刻划加工和检测一体化优势，在检测过程中无需采用基准零件而且操作简单，测量精度高。但其存在缺陷，即该检测装置并不是在线测量，无法准确反映机床加工时主轴的工作状态，不能用于机床的加工预测以及补偿控制。
[0009]专利201120161227.6《一种五自由度回转误差的光学测量装置》公布了一种主轴五自由度回转误差的光学测量装置，该方法利用激光发射器和CCD相机及其他附件，可以实现主轴五自由度回转误差的测量，结构简单，具有较快的测量速度。但其存在缺陷，即该装置对于不同的被测主轴需要加工与之相匹配的法兰，且整个装置安装复杂，对于工作环境的要求较高，不具有广泛的适应性。实用新型内容
[0010]本实用新型的目的是提供一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，以解决传统接触式测量存在的缺陷以及普通非接触式测量系统无法在线测量、结构复杂的问题，具有经济性好、测量精度高、便于携带和安装调试等优点。
[0011]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下:
[0012]一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，包括磁性表架、电涡流传感器、前置器、供电电源、数据采集卡、上位机，所述电涡流传感器固定在所述磁性表架上、并对称安装在被测主轴的两侧、且通过电缆与所述前置器的输入端连接，所述数据采集卡的输入端与所述前置器的输出端通过电缆连接、输出端与所述上位机通过USB数据线连接，所述供电电源与所述前置器通过电缆连接。
[0013]根据以上方案，所述前置器、供电电源、数据采集卡安装于由工程塑料制的绝缘防尘盒内，所述绝缘防尘盒设有5个端口、用于所述前置器与电涡流传感器的连接、所述数据采集卡与上位机的连接、以及所述供电电源与外部电源的连接。
[0014]根据以上方案，所述前置器设有由铝铸造、且表面进行过喷塑处理的外壳体。
[0015]根据以上方案，所述前置器的底面与绝缘防尘盒之间、以及其安装孔处均设有绝缘工程塑料，以保证在安装前置器时，使前置器外壳体与大地隔离(即所谓“浮地”)。
[0016]根据以上方案，所述磁性表架设有环形孔，所述电涡流传感器穿过所述环形孔，并通过所述环形孔两侧的两个反向紧固螺母固定，防止测量时电涡流传感器的横向窜动，保证测量的精度。
[0017]本实用新型的电涡流传感器、前置器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，能够对转轴的状态进行长期实时监测。前置器及其供电电源、数据采集卡一起安装于工程塑料制的密封的绝缘防尘盒内，这样既可以将前置器与大地隔离，同时也可以有效的屏蔽外界的干扰信号，保证整个采集系统的稳定工作。整个采集系统轻巧，便于携带，且安装简单。
[0018]测量时，将电涡流传感器对正被测体主轴表面,它能精确地探测出被测体主轴表面相对于探头端面间隙的变化；前置器是一个电子信号处理器，一方面，前置器为电涡流传感器提供高频交流电流；另一方面，前置器感受电涡流传感器前面由于金属导体靠近引起的参数变化，经过前置器的处理，产生随电涡流传感器与被测金属导体间隙线性变化的输出电压或电流信号，再输出给数据采集卡，数据采集卡与上位机相连接，上位机对采集数据进行处理，得到最终的主轴回转误差。
[0019]本实用新型的数据处理模块基于双测头误差分离法设计，原理如下:
[0020]主轴的回转误差为Τ( Θ )，圆度误差为R( Θ )，两个传感器所测得的数据分别为sjehsje)，则有:
[0021]Θ ) = χ( Θ )+R( Θ ) (I)
[0022]S2 ( θ ) = —T ( θ ) +R ( θ — Ji ) (2)
[0023]由以上式⑴、⑵可得:
[0024]Τ(θ) = [S^ Θ )-S2( Θ )+R( Θ-ji)-R( Θ )]/2 (3)
[0025]R( θ ) = Θ )+S2( Θ )-R( Θ -ji) (4)
[0026]^Sa(9) = 1^(0)-4(0)3/24(0) = S1(QHS2P),代入(3)、(4)并进行离散傅里叶变换得:
[0027]P(n) = Sa(n)_R(n) (1-Π/2 (5)
[0028]R(n) = Sb(n)/(l+e>) (6)
[0029]将式(5)、(6)进行傅里叶逆变换可得到主轴的回转误差与圆度误差。
[0030]双侧头法能够分离出主轴截面圆度误差的偶次谐波，而大部分精密主轴的圆度误差轮廓接近椭圆，而椭圆是由偶次谐波组成，故双测头法能有效的分离圆度误差，最终得到的主轴回转误差精度很高。
[0031]本实用新型的有益效果是:
[0032]I)测量精度高:本实用新型基于双测头误差分离法进行了机床主轴回转误差的分离，有效的分离出了主轴的圆度误差，避免了由于主轴本身的形状误差对测量结果的影响，最终得到的主轴回传误差重复性在5 %以内。
[0033]2)在线测量和实时监控:本实用新型的电涡流传感器通过磁性表架可以方便地固定在主轴两侧，有效的测量主轴在不同转速下的回转误差，不仅可以实现方便、高效的在线测量，而且可以实时监控主轴的运作状态，为加工过程提供有效的指导。
[0034]3)柔性高:本实用新型采用的测量系统可以适用于各种尺寸被测主轴的检测，且传感器拆装灵活、通用性高、设备成本低、整个系统灵巧、便于携带，具有很高的柔性。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是本实用新型的结构示意图；
[0036]图2是本实用新型的测量原理示意图；
[0037]图3是本实用新型的传感器固定示意图。
[0038]图中:1.被测主轴；2、3.磁性表架；4、5.电涡流传感器；6、7.前置器；8.绝缘防尘盒；9、10.供电电源；11.数据采集卡；12.上位机；13、14.紧固螺母。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图与实施例对本实用新型的技术方案进行说明。
[0040]如图1至图3所示，本实用新型提供一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，包括磁性表架2、3、电涡流传感器4、5、前置器6、7、供电电源9、10、数据采集卡11、上位机12，所述电涡流传感器4、5分别固定在所述磁性表架2、3上、并对称安装在被测主轴I的两侧、且通过电缆分别与所述前置器6、7的输入端连接，所述数据采集卡11的输入端分别与所述前置器6、7的输出端通过电缆连接、输出端与所述上位机12通过USB数据线连接，所述供电电源9、10分别与所述前置器6、7通过电缆连接。
[0041]进一步地，所述前置器6、7、供电电源9、10、数据采集卡11安装于由工程塑料制的绝缘防尘盒8内，所述绝缘防尘盒8设有5个端口、分别用于所述前置器6、7与电涡流传感器4、5的连接、所述数据采集卡11与上位机12的连接、以及所述供电电源9、10与外部电源的连接，所述供电电源为24V直流电源。
[0042]进一步地，所述前置器6、7设有由铝铸造、且表面进行过喷塑处理的外壳体；所述前置器6、7的底面与绝缘防尘盒8之间、以及其安装孔处均设有绝缘工程塑料。
[0043]进一步地，所述磁性表架8设有环形孔，所述电涡流传感器穿过所述环形孔，并通过所述环形孔两侧的两个反向紧固螺母13、14固定，防止测量时电涡流传感器的横向窜动，保证测量的精度。
[0044]本实用新型的工作过程是:
[0045]1、将所述绝缘防尘盒8的输入端与所述电涡流位移传感器4、5相连接，输出端与上位机12相连接，电源端与外部电源相连接。然后将所述电涡流位移传感器4、5固定在所述磁性表架2、3上，再将所述磁性表架2、3固定在被测主轴I的两侧，并调整所述电涡流位移传感器4、5的位置，使其布置方式跟图2所示的一致。
[0046]2、所述被测主轴I带动工件转动，转角为Θ表示，两个所述电涡流位移传感器4、5的输出量分别为Sj Θ )、S2( Θ ),所述前置器6、7将所述电润流位移传感器4、5输出的原始模拟信号加工为标准信号，即I?5V的电压信号后再输出给所述数据采集卡11，所述数据采集卡11对电压信号进行A/D转换，再将转换后的数字信号输出给所述上位机12。
[0047]3、所述上位机12的数据处理模块存储采集数据，并在后台按双测头误差分离法进行数据处理，分离出主轴的圆度误差，并将所得的主轴回转误差实时显示出来。
【权利要求】
1.一种非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，其特征在于，包括磁性表架(2、3)、电涡流传感器(4,5)、前置器(6,7)、供电电源(9,10)、数据采集卡(11)、上位机(12)，所述电涡流传感器(4、5)固定在所述磁性表架(2、3)上、并对称安装在被测主轴(I)的两侧、且通过电缆与所述前置器(6、7)的输入端连接，所述数据采集卡(11)的输入端与所述前置器(6、7)的输出端通过电缆连接、输出端与所述上位机(12)通过USB数据线连接，所述供电电源(9、10)与所述前置器(6、7)通过电缆连接。
2.根据权利要求1所述的非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，其特征在于，所述前置器出、7)、供电电源(9、10)、数据采集卡(11)安装于由工程塑料制的绝缘防尘盒(8)内，所述绝缘防尘盒(8)设有5个端口、用于所述前置器(6、7)与电涡流传感器(4、5)的连接、所述数据采集卡(11)与上位机(12)的连接、以及所述供电电源(9、10)与外部电源的连接。
3.根据权利要求1所述的非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，其特征在于，所述前置器(6、7)设有由铝铸造、且表面进行过喷塑处理的外壳体。
4.根据权利要求1所述的非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，其特征在于，所述前置器出、7)的底面与绝缘防尘盒(8)之间、以及其安装孔处均设有绝缘工程塑料。
5.根据权利要求1所述的非接触式的精密主轴回转误差在线测量系统，其特征在于，所述磁性表架(2、3)设有环形孔，所述电涡流传感器(4、5)穿过所述环形孔，并通过所述环形孔两侧的两个反向紧固螺母(13、14)固定。
【文档编号】G01B7/00GK204142176SQ201420617200
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】卢红, 王子龙, 吴强, 王一新 申请人:武汉理工大学