一种空气静压主轴的回转误差测量装置的制作方法

本实用新型属于精密测量技术领域，具体涉及一种空气静压主轴的回转误差测量装置。

背景技术：

随着科技的不断发展，超精密加工技术直接反应一个国家的基础工业水平。空气静压主轴是实现超精密切削加工的重要功能部件，其回转误差会直接映射到加工零件的表面形貌上，从而制约超精密切削机床加工精度的提升。因此开展空气静压主轴回转误差测量工作对促进超精密加工技术快速发展意义重大。

空气静压主轴的回转误差在数十纳米量级，其测量难点在于测量误差的分离。由传感器采集得到的测量信号主要包括空气静压主轴的回转误差、标准球的安装偏心误差以及标准球的圆度误差。空气静压主轴回转误差测量的核心思想是使用纳米级圆度的标准球，通过误差分离技术将测量结果中包含的标准球安装偏心误差及其圆度误差分离出来，得到空气静压主轴的纳米量级回转误差。为准确测量高精度空气静压主轴的回转误差，国内外发展了单点法、多点法、多步法、反向法等多种测试方法。其中单点法不能有效分离亚微米级的偏心误差以及数十纳米量级的标准球圆度误差，只能适用于百纳米量级以上的回转误差测量；多点法在实际操作过程中需要多个传感器按照固定角度安装，在测量误差分离过程中难以消除传感器安装位置偏差以及各传感器特性不一致带来的影响；多步法操作步骤繁琐，且采用多步法求解的回转误差会导致谐波抑制损失；相比而言，反向法操作简单，理论上可以将标准球圆度误差和空气静压主轴回转误差完全分离，且该方法只需使用一个传感器进行测量，避免引入传感器安装位置偏差和特性不一致引起的测量误差。

在反向法中采用去除一次谐波方法能够基本消除测试信号中标准球安装偏心所产生的影响。在反向法的测量原理中需要测量用标准球和传感器同时旋转180°，且反向前与反向后测量数据中各采样点所对应的角度必须严格对等，才能实现主轴回转误差和标准球圆度误差的准确分离。

当前，采用反向法实现反向前与反向后测量数据中各采样点所对应的角度严格对等的空气静压主轴的回转误差测量装置尚未见报道。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种空气静压主轴的回转误差测量装置。

本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置，其特点是，所述的测量装置包括气浮隔振平台、主轴安装支架、空气静压主轴、传感测量装置、移动导轨、驱动电机；

其连接关系是：气浮隔振平台放置在隔振地基上；主轴安装支架固定连接于气浮隔振平台上；空气静压主轴固定连接于主轴安装支架上；移动导轨固定连接于气浮隔振平台上；传感测量装置固定连接于移动导轨上，移动导轨驱动传感测量装置进行上下移动；驱动电机固定连接于气浮隔振平台，驱动电机驱动空气静压主轴进行回转运动。

所述的传感测量装置包括读数头、圆光栅、分度盘、标准球安装座、标准球、左右差分螺纹机构，前后差分螺纹机构，上下差分螺纹机构、传感器安装支架、非接触式位移传感器；

其连接关系是：所述的圆光栅安装在分度盘上，分度盘安装在空气静压主轴的转子顶端，圆光栅、分度盘和空气静压主轴同轴；读数头的底部固定在空气静压主轴壳体顶端读取圆光栅的角度数据；所述的标准球安装座安装在分度盘上，标准球安装在标准球安装座上；所述的左右差分螺纹机构安装在移动导轨上，前后差分螺纹机构安装在左右差分螺纹机构上，上下差分螺纹机构安装在前后差分螺纹机构上；所述的传感器安装支架安装在上下差分螺纹机构上，非接触式位移传感器固定在传感器安装支架上，非接触式位移传感器读取标准球的位移数据，左右差分螺纹机构驱动非接触式位移传感器左右移动，前后差分螺纹机构驱动非接触式位移传感器前后移动，上下差分螺纹机构驱动非接触式位移传感器上下移动。

所述的圆光栅的定位精度为0.5角秒。

所述的标准球与空气静压主轴回转轴线的偏心调整精度为亚微米级。

所述的标准球的圆度误差小于等于40nm。

所述的左右差分螺纹机构、前后差分螺纹机构和上下差分螺纹机构的分辨精度为1μm。

所述的非接触式位移传感器测量精度为12nm，非接触式位移传感器与测量标准球的赤道线的距离范围为70μm-80μm。

本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置中的左右差分螺纹机构、前后差分螺纹机构、上下差分螺纹机构用于确保标准球赤道线与非接触式位移传感器的距离在70μm-80μm；标准球安装座用于实现标准球与空气静压主轴回转轴线亚微米级的偏心调整；传感器安装支架用于实现反向测量前与反向测量后非接触式位移传感器的180°旋转定位；分度盘用于实现反向测量前与反向测量后标准球的180°旋转定位；圆光栅和读数头用于实现反向前和反向后测量数据中各采样点所对应的角度严格对等。本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置能够准确分离空气静压主轴回转误差和标准球圆度误差，提高空气静压主轴回转误差的测量精度。

附图说明

图1为本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置的工作流程图；

图2为本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置的结构示意图；

图3为本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置的传感测量装置结构示意图。

图中，1.气浮隔振平台 2.主轴安装支架 3.空气静压主轴 4.传感测量装置 5.移动导轨 6.驱动电机；

41.读数头 42.圆光栅 43.分度盘 44.标准球安装座 45.标准球 46.左右差分螺纹机构 47.前后差分螺纹机构 48.上下差分螺纹机构 49.传感器安装支架 410.非接触式位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置包括气浮隔振平台1、主轴安装支架2、空气静压主轴3、传感测量装置4、移动导轨5、驱动电机6；

其连接关系是：气浮隔振平台1放置在隔振地基上；主轴安装支架2固定连接于气浮隔振平台1上；空气静压主轴3固定连接于主轴安装支架2上；移动导轨5固定连接于气浮隔振平台1上；传感测量装置4固定连接于移动导轨5上，移动导轨5驱动传感测量装置4进行上下移动；驱动电机6固定连接于气浮隔振平台1，驱动电机6驱动空气静压主轴3进行回转运动。

如图2所示，所述的传感测量装置4包括读数头41、圆光栅42、分度盘43、标准球安装座44、标准球45、左右差分螺纹机构46，前后差分螺纹机构47，上下差分螺纹机构48、传感器安装支架49、非接触式位移传感器410；

其连接关系是：所述的圆光栅42安装在分度盘43上，分度盘43安装在空气静压主轴3的转子顶端，圆光栅42、分度盘43和空气静压主轴3同轴；读数头41的底部固定在空气静压主轴3壳体顶端读取圆光栅42的角度数据；所述的标准球安装座44安装在分度盘43上，标准球45安装在标准球安装座44上；所述的左右差分螺纹机构46安装在移动导轨5上，前后差分螺纹机构47安装在左右差分螺纹机构46上，上下差分螺纹机构48安装在前后差分螺纹机构47上；所述的传感器安装支架49安装在上下差分螺纹机构48上，非接触式位移传感器410固定在传感器安装支架49上，非接触式位移传感器410读取标准球45的位移数据，左右差分螺纹机构46驱动非接触式位移传感器410左右移动，前后差分螺纹机构47驱动非接触式位移传感器410前后移动，上下差分螺纹机构48驱动非接触式位移传感器410上下移动。

所述的圆光栅42的定位精度为0.5角秒。

所述的标准球45与空气静压主轴3回转轴线的偏心调整精度为亚微米级。

所述的标准球45的圆度误差小于等于40nm。

所述的左右差分螺纹机构46、前后差分螺纹机构47和上下差分螺纹机构48的分辨精度为1μm。

所述的非接触式位移传感器410测量精度为12nm，非接触式位移传感器410与测量标准球45的赤道线的距离范围为70μm-80μm。

本实用新型的空气静压主轴的回转误差测量装置工作过程如图3所示，具体流程如下：将待测空气静压主轴3放置在主轴安装支架2上，使得标准球45与空气静压主轴3回转轴线的偏心小于0.5μm，并将标准球45赤道线与非接触式位移传感器410的距离调整到70μm-80μm；开启驱动电机6驱动空气静压主轴3实现回转运动，开始正向测量，并采集非接触式位移传感器410的位移数据以及圆光栅42对应的角度数据；测量结束后将标准球45和非接触式位移传感器410同时旋转180°，开始反向测量，并采集非接触式位移传感器410的位移数据以及圆光栅42对应的角度数据；采用去除一次谐波的方法消除反向前和反向后的测量数据中的偏心误差；采用反向误差分离方法得到标准球45的圆度误差和空气静压主轴3的圆度误差。其中反向误差分离方法原理如下：

测得的数据在除去偏心误差之后包括两部分，标准球圆度误差和主轴回转误差，与位移数据和角度数据的关系为：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以求解出标准球圆度误差和空气静压主轴回转误差为：

(3)

(4)。