一种空气主轴振动精密测量装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超精密加工中振动测量领域，具体设及一种空气主轴振动精密测量装 置及其方法，用于高速旋转空气主轴振动的测量。
【背景技术】
[0002] 在加工精度为100纳米W下，表面粗糖度优于10纳米的超精密加工过程中，空气主 轴是超精密加工机床中十分重要的部件，空气主轴转子的振动直接影响刀具的振动，从而 降低被加工零件的表面质量，增加了工件的粗糖度，因此，对于振动量在100纳米W内的空 气主轴精密测量的研究是十分迫切的。
[0003] 空气主轴由壳体、转子、空气轴承、驱动电机、主轴冷却系统、供气系统、装刀单元 和夹紧系统等构成。其中空气主轴的壳体是静止不动的，转子被空气轴承支撑着，驱动电机 带动转子产生高速运动。
[0004] 空气主轴的振动影响超精密加工中被加工零件的表面质量，空气主轴转子振动的 测量结果往往包含被测物体与空气主轴转子的偏屯、距W及被测物体的圆度误差，故空气主 轴转子振动量的获取十分困难。在空气主轴转子振动的测量过程中，精密的测试仪器、精确 的测试方法W及准确的数据分析对获取空气主轴转子振动量至关重要。
[0005] 空气主轴转子不仅转速高（最高可达350000R/min)，而且振动位移也小（在lOOnm W内）。然而现有位移传感器（电满流传感器、电容传感器等）的带宽低、线性度差、精度不 高，转速传感器(编码器、霍尔传感器等)存在无法测高速运动W及有外力作用的问题，故无 法满足空气主轴振动的测量要求。另外，现有测量方法(打表测量法、单向测量法、双向测量 法等)存在引入锥孔的偏屯、误差、测量角度和方向不准确W及缺少准确的数据分析等问题， 故无法准确地测量和计算出超精密机床中空气主轴转子振动的位移信号。
[0006] 为准确说明本发明所设及的位置关系，在申请文件中使用空间Χ、Υ、Ζ直角坐标系， 如图1所示，Υ轴、Ζ轴互相垂直且位于纸面内，Υ轴正向垂直向上，Ζ轴正向向左，X轴垂直于Υ Ζ平面(纸面），Χ轴正向指向读者，与Υ、Ζ轴正向呈右手螺旋关系。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种空气主轴振动精密测量装置，同时提供其测量方法，解决现有测 量装置存在无法准确地测量高速运动物体的问题和现有测量方法存在测量角度和方向不 准确W及缺少准确的数据分析的问题。
[000引本发明所提供的一种空气主轴振动精密测量装置，包括隔振平台、支撑框架、主轴 固定组件、正X向激光组件、Ζ向激光组件、Υ向激光组件、负X向激光组件、红外线测量组件、 下斜方棱镜组件、上斜方棱镜组件、角锥棱镜组件，其特征在于：
[0009]所述支撑框架为框架结构，包括左前立柱、左后立柱、右前立柱、右后立柱、左上横 梁、右上横梁、上连接梁、前横梁和后横梁；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台上，左前立柱和左后立柱顶端通过左上横梁连接，构成口框 形，右前立柱和右后立柱顶端通过右上横梁连接，构成口框形，左上横梁和右上横梁通过上 连接梁连接;左前立柱和右前立柱之间通过前横梁连接，左后立柱和右后立柱之间通过后 横梁连接；
[0010] 所述主轴固定组件位于所述支撑框架内，包括主轴固定架、主轴支撑架、主轴夹 头、连接杆和标准球，主轴固定架安装在主轴支撑架上，用于夹持空气主轴，主轴支撑架通 过螺栓固定在隔振平台上;在进行测量时，主轴夹头安装在待测空气主轴一端，用于夹持连 接杆，连接杆末端粘接标准球，所述标准球的尺寸精度小于100纳米，圆度优于50纳米；
[0011] 所述正X向激光组件、Z向激光组件、Y向激光组件、负X向激光组件的组成和结构完 全相同；
[0012] 所述正X向激光组件包括正X向激光头、正X向光学调整架和正X向位移平台，正X向 激光头安装在正X向光学调整架上，后者固定在正X向位移平台上，正X向位移平台固定在支 撑框架的前横梁上，实现正X向光学调整架在XZ平面内的运动；
[0013] Z向激光组件包括Z向激光头、Z向光学调整架和Z向位移平台，Z向激光头安装在Z 向光学调整架上，后者固定在Z向位移平台上，Z向位移平台固定在升降平台上，升降平台固 定在隔振平台上，Z向位移平台实现Z向光学调整架在XZ平面内的运动，升降平台实现Z向位 移平台在XY平面内的运动(Y向的运动）；
[0014] Y向激光组件包括Y向激光头、Y向光学调整架和Y向位移平台，Y向激光头安装在Y 向光学调整架上，后者固定在Y向位移平台上，Y向位移平台固定在支撑框架的上连接梁上， 实现Y向光学调整架在YZ平面内的运动；
[001引负X向激光组件包括负X向激光头、负X向光学调整架和负X向位移平台，负X向激光 头安装在负X向光学调整架上，后者固定在负X向位移平台上，负X向位移平台固定在支撑框 架的后横梁上，实现负X向光学调整架在XZ平面内的运动；
[0016] 所述红外线测量组件由红外线传感器和红外磁力表座组成，红外线传感器通过红 外磁力表座固定在隔振平台上；
[0017] 所述下斜方棱镜组件和上斜方棱镜组件的组成和结构完全相同：下斜方棱镜组件 由下斜方棱镜和下磁力表座构成;上斜方棱镜组件由上斜方棱镜和上磁力表座构成；
[0018] 所述角锥棱镜组件由角锥棱镜、棱镜光学调整架和棱镜磁力表座构成；
[0019] 当对各激光组件中激光头所发出激光束进行对焦时，下斜方棱镜通过下磁力表座 固定在隔振平台上，而上斜方棱镜通过上磁力表座固定在上连接梁上；角锥棱镜安装在棱 镜光学调整架上，棱镜光学调整架再通过棱镜磁力表座固定在隔振平台上。
[0020] 所述空气主轴振动精密测量装置的测量方法，包括激光束对焦步骤、测量空气主 轴跳动量步骤、计算偏屯、距步骤、计算圆度误差步骤和计算振动量步骤，其特征在于：
[0021] (1)激光束对焦步骤：
[0022] 将空气主轴安装在主轴固定架上，在转子的左端安装连接杆，连接杆末端粘接标 准球，同时在连接杆外表面沿母线粘贴一条黑色标签；调整正X向、负X向、Y向、Z向激光组 件，使得正X向、Y向、Z向激光束W及负X向、Y向、Z向激光束两两相互垂直且都沿着标准球的 法线方向；
[0023] (2)测量空气主轴跳动量步骤：
[0024] 将红外线测量组件的红外线传感器从径向对准空气主轴连接杆，当检测到空气主 轴连接杆上黑色标签，红外线传感器产生脉冲信号，触发正X向、负X向、Υ向、z向激光头同时 开始测量空气主轴上标准球的跳动量，得到标准球正X向跳动量s+x(i X Δ Θ)、负X向跳动量 s-x(iX ΔΘ)、Υ向跳动量sY(iX ΔΘ)、Ζ向跳动量sz(iX ΔΘ)，其中，i为采样点序号，ΔΘ为采 样间隔，i = 〇、l、…、n-l，n为标准球圆周上采集的点数
[00巧](3)计算偏屯、距步骤：
[0026] 分别对正X向、负X向和Y向跳动量进行傅里叶变换，根据第一阶傅里叶系数，计算 出标准球与空气主轴转子在正X向、负X向、Y向的偏屯、距e+x(iX Δ 0)、e-x(iX Δ 0)、eY(iX Δ θ);
[0027] (4)计算圆度误差步骤：
[00%]根据正X向与负X向跳动量移除偏屯、距后的数据，进行离散傅里叶变换(DFT)及离 散傅里叶逆变换（IDFT)，计算出标准球正X向圆度误差r(iX ΔΘ)、标准球负X向圆度误差r (iX Δθ+Ji)、标准球Y向圆度误差r(iX ΔΘ+π/2);
[0029] (5)计算振动量步骤：
[0030] 计算空气主轴转子正X向振动量x+(ix Δ Θ)、空气主轴转子负X向振动量x-(iX Δ Θ)、空气主轴转子Y向振动量y(ix ΔΘ)、空气主轴转子Z向振动量z(iX ΔΘ):
[0031 ] χ+(?