本发明属于精密超精密加工及自动化领域，具体涉及一种用于超精密主轴的动平衡精度提升装置及方法，用于放大主轴在回转过程中的不平衡振动响应，提高主轴动平衡测量和校正精度。
背景技术：
机械振动是主轴转子系统在运行中必然存在的现象，造成振动的原因有很多，如最常见的不平衡等。对于主轴转子系统，有时需要对其振动进行抑制，以避免对系统造成损害；有时反而需要对其振动进行放大，以观察特定频率的振动，如在超精密主轴的动平衡分析和校正过程中，需要放大其微弱的不平衡振动，以便提高动平衡精度。改变主轴的支承刚度是放大其振动响应的办法之一，因此需要用可变刚度的结构来进行支承。现有的刚度可调振动装置往往只具有两种支承刚度，可以根据需要将支承结构快速地切换为高刚度或低刚度状态，这方面的典型结构有：申请号为201310125702.8的发明专利公开了一种鼠笼式sma主动变刚度转子支承装置，利用sma的升温收缩特性改变结构刚度。类似的还有文献[用于高速转子振动主动控制的智能变刚度支承系统]中提出的基于形状记忆合金的变刚度支承结构。申请号为201420052262.8的实用新型专利公开了一种用于软支承动平衡机的可变刚度支承机构，利用气缸控制滚子轴承与凹形块的卡紧或分离，实现硬支承和软支承状态的切换。但以上所述结构都只具有刚性和柔性两种支承状态，结构的刚度无法连续调节，在放大主轴系统的不平衡振动响应时，无法根据实际需要调节到合适的刚度，因此其应用有限。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于超精密主轴的动平衡精度提升装置及方法，可以放大主轴在回转过程中的不平衡振动响应，提高主轴动平衡测量和校正的精度。
本发明采用如下技术方案来实现上述目的：
一种用于超精密主轴的动平衡精度提升装置，包括主轴、顶板、刚性支架、底座、薄肋板组件和变刚度组件；其中，
主轴设置在顶板上，顶板平行设置于底座的上方；
刚性支承状态时，两个刚性支架对称安装于顶板与底座之间；
柔性支承状态时，变刚度组件设置在顶板与底座之间，且若干个薄肋板组件均匀设置在变刚度组件的周向及顶板与底座之间。
本发明进一步的改进在于，底座上开设有若干平行布置的安装槽。
本发明进一步的改进在于，薄肋板组件包括肋板支架以及设置在肋板支架顶部的薄肋板，使用时，肋板支架的底部安装在底座上，薄肋板的顶部连接在顶板的底部。
本发明进一步的改进在于，变刚度组件用于调节整个结构在主轴水平径向方向的刚度，包括动力架组件、摆架组件和弹簧组件，顶板与动力架组件采用固定连接，动力架组件与摆架组件铰接配合，摆架组件与弹簧组件采用接触配合，使得主轴的振动能够通过顶板传递给动力架组件，再传递给摆架组件，最后传递给弹簧组件。
本发明进一步的改进在于，动力架组件包括水平板、竖板、滑块、光轴和光轴支座；其中，水平板设置在竖板的顶部，光轴支座设置在竖板的两端，两个光轴平行设置在光轴支座上，滑块套装在两个光轴上；
柔性支承状态时，顶板与动力架组件的水平板固定连接，主轴带动顶板振动时，动力架组件与顶板同步振动。
本发明进一步的改进在于，摆架组件包括摆架、滚珠丝杠、转接件、带座外球面轴承、销轴和销轴支座；其中，摆架在竖直方向上设置，滚珠丝杠的两端均通过带座外球面轴承安装在摆架上，转接件与滚珠丝杠的螺母固定连接，摆架的底部与销轴固定连接，销轴的两端活动连接在销轴支座上；
动力架组件的振动方向为水平(主轴水平径向)方向，摆架组件的振动方向为绕着销轴摆动，两者振动方向有差异。为了实现动力架组件到摆架组件的振动传递，并且不产生额外的应力，设计动力架组件与摆架组件的连接方式为：摆架组件上的螺母与转接件固定，转接件两侧安装有法兰盘，法兰盘与滑块采用间隙配合。因此转接件可以绕着滑块转动，并且受到滑块的限制而不会产生轴向窜动。基于这种配合关系，动力架的振动可以通过这种配合关系而传递给摆架组件，并且不会产生额外的应力。
柔性支承状态时，动力架组件的滑块与摆架组件的转接件采用间隙配合，当旋转滚珠丝杠时，转接件能够带动滑块一起上下移动，销轴支座固定在底座上，使得摆架能够绕着销轴摆动。
本发明进一步的改进在于，弹簧组件包括对称设置的两个弹簧支架，设置在两个弹簧支架之间且能够沿两个弹簧支架上下移动的两对弹簧座，设置在四个弹簧座上且能够使其同步移动的连杆，以及分别设置在每一对弹簧座之间的弹簧；
柔性支承状态时，两个弹簧支架固定在底座上，用于为弹簧提供支撑，摆架组件和弹簧组件通过摆架与两侧的弹簧座相接触，摆架前后振动时能够受到两侧弹簧的阻力作用；弹簧支架上设有竖直方向的燕尾槽，弹簧、弹簧座及连杆能够沿着燕尾槽上下滑动。
一种用于超精密主轴的动平衡精度提升方法，该方法基于上述一种用于超精密主轴的动平衡精度提升装置，包括以下步骤：
1)紧固顶板与刚性支架的连接，使主轴处于刚性支承状态下，此时测量主轴的初始不平衡振动，如果振动信号微弱，无法进行动平衡计算和校正，则松开顶板与刚性支架的连接，使支承结构切换为柔性支承状态；
2)在调节主轴柔性支承刚度前，旋转滚珠丝杠，使滑块处于最低位置处，即与底座距离最近处，并使弹簧处于最高位置处，即与顶板距离最近处，这时整个柔性支承结构的刚度最大，并测量主轴被放大后的不平衡振动，如果主轴的不平衡振动满足放大要求，则直接进行主轴动平衡的计算与校正，如果主轴的不平衡振动不能满足放大要求，则要调节变刚度组件的支承刚度；
3)通过旋转丝杆滚珠丝杠和/或调节弹簧在竖直方向的位置，实现连续地调节整个结构在主轴水平径向方向的刚度；
4)测量主轴在柔性支承下经过放大后的不平衡振动，如果振动信号仍然较弱，无法进行动平衡计算和校正，则重复步骤3)，进一步连续降低变刚度组件(6)的支承刚度，直至振动信号满足放大要求为止；
5)进行动平衡分析和校正，即利用现场动平衡仪或在线动平衡装置测量不平衡振动，并利用影响系数法计算应该施加的配重，手动添加配重质量或自动调节配重块的位置，并检验动平衡精度是否满足要求；如果未达到精度要求，则继续重复步骤3)，即进一步连续降低变刚度组件的支承刚度，从而进一步放大不平衡振动信号，直到剩余不平衡质量满足动平衡精度等级，然后基于放大的振动信号进行动平衡计算与校正，直至达到动平衡精度要求；
6)动平衡校正完成后返回工作模式，即紧固顶板与刚性支架的连接，使主轴从平衡模式下的柔性支承切换回初始状态时的刚性支承，这时主轴已完成动平衡校正，从而进行正常加工。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法如下：通过旋转滚珠丝杠，使滑块逐渐往上移动，随着滑块的位置逐渐升高，结构的支承刚度逐渐降低；同样使弹簧逐渐往下移动，使得结构的支承刚度逐渐降低；或者同时旋转丝杠与调节弹簧，或顺次进行调节，实现变刚度组件刚度的连续变化。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、结构具有刚性支承和柔性支承状态。主轴正常加工时，将结构切换为刚性支承状态；主轴动平衡校正时，将结构切换为柔性支承状态；因此既可放大不平衡振动，又避免了复杂的拆装过程，具有很好的实用性。
2、利用杠杆原理，通过改变动力作用点与阻力作用点的位置来调节支承刚度，使结构支承刚度的变化具有连续性；
3、通过旋转滚珠丝杠和调节弹簧位置，就可以很方便地调整结构刚度，因此具有很好的可操作性；
4、通过调节动力作用点和阻力作用点的位置，对结构的支承刚度进行双重调节，使结构具有很大的刚度变化范围；
5、结构在竖直方向支承刚度保持稳定，水平方向刚度可调，因此具有很好的支承稳定性。
综上所述，本发明分为刚性支承和柔性支承状态，可以根据主轴的正常加工或动平衡校正需求，快速地在两种状态间切换，避免了复杂的拆装过程，具有很好的实用性；利用杠杆原理，通过改变动力作用点与阻力作用点的位置来调节刚度，使结构刚度的变化具有连续性；通过旋转滚珠丝杠和/或调节弹簧位置，可以很方便地调整结构刚度，因此具有很好的可操作性；通过调节动力作用点和阻力作用点的位置，对结构的支承刚度进行双重调节，使结构具有很大的刚度变化范围；结构在竖直(主轴竖直径向)方向支承刚度保持稳定，水平(主轴水平径向)方向刚度可调，因此具有很好的支承稳定性。
附图说明
图1是本发明整体结构(刚性支承)的示意图；
图2是本发明柔性支承的结构示意图；
图3是本发明薄肋板组件的结构示意图；
图4是本发明动力架组件的结构示意图；
图5是本发明摆架组件的结构示意图；
图6是本发明弹簧组件的结构示意图；
图7是本发明动力架组件与摆架组件装配关系的示意图；
图8是本发明变刚度组件的各组件装配关系示意图；
图9是本发明在柔性支承状态的刚度调节过程示意图，其中(a)为弹簧在最高位置、滑块在最低位置(刚度较大)，(b)为弹簧与滑块都在最低位置(刚度适中)，(c)为弹簧在最低位置、滑块在最高位置(刚度最小)。
图中：1-主轴，2-顶板，3-刚性支架，4-底座；
5-薄肋板组件，501-薄肋板，502-肋板支架；
6-变刚度组件；7-动力架组件；8-摆架组件；9-弹簧组件；
701-水平板，702-竖板，703-滑块，704-光轴，705-光轴支座；801-摆架，802-滚珠丝杠，803-转接件，804-带座外球面轴承，805销轴，806-销轴支座；901-弹簧支架，902-弹簧座，903-连杆，904-弹簧。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图1至图8所示，本发明提供的一种用于放大机械系统振动响应的刚度连续可调装置，包括主轴1、顶板2、刚性支架3、底座4、薄肋板组件5和变刚度组件6。结构分为刚性支承和柔性支承状态，通过紧固或松开顶板2与刚性支架3的连接，即可在两种状态间进行切换；在柔性支承状态下，四个均匀布置的薄肋板组件5用于支承主轴1，并在主轴水平径向方向具有很小的刚度，因此结构在该方向的刚度可以由变刚度组件进行调节；变刚度组件6由动力架组件7、摆架组件8和弹簧组件9构成，用于调节整个结构在主轴水平径向方向的刚度。顶板2与动力架组件7采用固定连接，动力架组件7与摆架组件8通过滑块703与转接件803进行间隙配合，摆架组件8与弹簧组件9采用接触配合。主轴1的振动通过顶板2传递给动力架组件7，再传递给摆架组件8，最后传递给弹簧组件9，利用杠杆原理，通过旋转滚珠丝杠802和/或调节弹簧904在竖直方向的位置，就可以连续地调节整个结构在主轴水平径向方向的刚度。
所述的刚度连续可调装置分为刚性支承和柔性支承状态：利用螺栓将刚性支架3与顶板2固定连接时，整个结构刚度很大，为刚性支承状态；松开螺栓连接时，刚性支架不起支承作用，主轴由薄肋板组件和变刚度组件支承，为柔性支承状态，此时结构刚度可以在一定范围内进行调节。
所述的四个薄肋板组件具有相同的结构及尺寸，其中每个薄肋板组件由薄肋板501和肋板支架502构成，薄肋板501的尺寸为高度130mm、宽度60mm和厚度5mm，因此在其竖直(主轴竖直径向)方向的刚度较高，而在前后(主轴水平径向)方向刚度较低。基于此原理，利用四个均匀布置的薄肋板组件将主轴支承起来，使整个结构在竖直(主轴竖直径向)方向具有较高的支承刚度，而在前后(主轴水平径向)方向的刚度较低，因此可以利用变刚度组件调节整个结构在此方向的刚度。
所述的变刚度组件由动力架组件、摆架组件和弹簧组件构成，用于调节整个结构在振动方向的刚度。各个组件的组成如下：
(1)动力架组件：动力架组件由水平板701、竖板702、滑块703、光轴704和光轴支座705构成，装配关系为：水平板701和竖板702焊接在一起，四个光轴支座705固定在竖板702上，两根光轴704安装在光轴支座705上，滑块703的两个孔分别与光轴704采用间隙配合，因此滑块703可以沿着光轴704在竖直方向上下移动。水平板701和顶板2采用螺栓连接，因此当主轴振动时，动力架组件和顶板同步振动。
(2)摆架组件：摆架组件由摆架801、滚珠丝杠802、转接件803、带座外球面轴承804、销轴805、销轴支座806组成。利用螺栓连接将销轴支座固定在底座上，使摆架801可绕着销轴805摆动；带座外球面轴承804固定在摆架801上，滚珠丝杠802两端与带座外球面轴承804上的轴承内环过盈配合，转接件803与动力架组件的滑块703采用间隙配合，因此当旋转滚珠丝杠802时，转接件803会带动滑块703在竖直方向移动。
(3)弹簧组件：弹簧组件由弹簧支架901、弹簧座902、连杆903、弹簧904构成。利用螺栓连接将弹簧支架901固定在底座4上，弹簧支架901上设有竖直方向的燕尾槽；将弹簧座902、弹簧904及连杆903组装为一整体，并安装在弹簧支架901上，使它们可以沿着燕尾槽在竖直方向滑动，以此调节弹簧904在竖直方向的位置；摆架801的两侧各有一个弹簧904，因此摆架801在振动时，两侧都受到弹簧904的阻力作用。
所述的变刚度组件中，各组件的装配关系如下：主轴1固定在顶板2上；顶板2和动力架组件的水平板701采用螺栓连接，并可以调节动力架组件在顶板2上的安装位置；动力架组件和摆架组件通过滑块703与转接件803进行间隙配合，在旋转滚珠丝杠802时，转接件803会带动滑块703在竖直方向移动；摆架组件和弹簧组件通过摆架801与两侧的弹簧座902相接触，摆架801前后振动时会受到两侧弹簧904的阻力作用。
所述的变刚度结构中，振动传递路径是：主轴的振动由主轴1传递给顶板2、再传递给动力架组件、然后通过滑块703与转接件803的配合传递给摆架组件、最后通过摆架801和弹簧座902的接触关系传递给弹簧组件。
所述的变刚度结构中，变刚度原理如下：在主轴1振动时，摆架801受到来自主轴1振动的作用力，会跟随主轴1振动，但同时受到弹簧904的阻力作用，会阻碍摆架801的振动。摆架801相当于一个杠杆，杠杆的动力作用点在滑块703处，阻力作用点在弹簧904处，销轴805相当于杠杆的支点；因此，滑块703到销轴805的距离等效于杠杆的动力臂，弹簧904到销轴805的距离等效于杠杆的阻力臂。因此，可以通过调节杠杆的动力臂和阻力臂的长度——即动力作用点和阻力作用点的位置来调节整个结构在主轴水平径向方向的刚度。具体原理为：当旋转滚珠丝杠802，使转接件803位置升高时，滑块703同步升高，杠杆的动力臂变长，整个结构在主轴水平径向方向的刚度减小，振幅增大，反之转接件位置降低时，结构刚度增大，振幅减小；当调节弹簧座902使弹簧904位置升高时，阻力臂变长，整个结构刚度增大，振幅减小，反之弹簧位置降低时，结构刚度减小，振幅增大。
所述的变刚度结构中，刚度调节的方式为：如图9所示，开始时将转接件803位置调到最低、弹簧904位置调到最高，此时整个结构刚度最大；如果此时测量到主轴的振动较小，则逐渐调低弹簧904的位置，此时主轴振动逐渐被放大；等到弹簧达到最低位置时，若仍需要进一步放大振动响应，则保持弹簧904位置不变、逐渐调高转接件803的位置，此时整个结构的刚度进一步减小，振动得到进一步放大。
本发明提供的一种用于超精密主轴的动平衡精度提升方法，包括以下步骤：
1)紧固顶板2与刚性支架3的连接，使主轴1处于刚性支承状态下，此时测量主轴1的初始不平衡振动，如果振动信号微弱，无法进行动平衡计算和校正，则松开顶板2与刚性支架3的连接，使支承结构切换为柔性支承状态。
2)在调节主轴柔性支承刚度前，旋转滚珠丝杠802，使滑块703处于最低位置处，即与底座4距离最近处。并使弹簧904处于最高位置处，即与顶板2距离最近处。这时整个柔性支承结构的刚度最大，这时测量主轴被放大后的不平衡振动，如果主轴的不平衡振动满足放大要求，则可以直接进行主轴动平衡的计算与校正。如果主轴的不平衡振动不能满足放大要求，则需要调节变刚度组件6的支承刚度。
3)通过旋转丝杆滚珠丝杠802和/或调节弹簧904在竖直方向的位置，就可以连续地调节整个结构在主轴水平径向方向的刚度。具体过程如下：通过旋转滚珠丝杠802，使滑块703逐渐往上移动，随着滑块703的位置逐渐升高，结构的支承刚度逐渐降低。同样使弹簧904逐渐往下移动，也可以使结构的支承刚度逐渐降低。可以同时旋转丝杠802与调节弹簧904，或顺次进行调节，实现变刚度组件6刚度的连续变化。
4)测量主轴在柔性支承下经过放大后的不平衡振动，如果振动信号仍然较弱，无法进行动平衡计算和校正，(与步骤1的判断准则相同)，则重复步骤3)，进一步连续降低变刚度组件6的支承刚度，直至振动信号满足放大要求为止。
5)利用常规方法进行动平衡分析和校正，即利用现场动平衡仪或在线动平衡装置测量不平衡振动，并利用影响系数法计算应该施加的配重，手动添加配重质量或自动调节配重块的位置，并检验动平衡精度是否满足要求(如根据g0.4的动平衡精度等级，计算出对应转子允许的剩余不平衡质量，与实际测试的剩余不平衡质量进行比较，若测试的剩余不平衡质量小于允许值，则满足要求)。如果未达到精度要求，则继续重复步骤3)，即进一步连续降低变刚度组件6的支承刚度，从而进一步放大不平衡振动信号，直到剩余不平衡质量满足动平衡精度等级(与步骤1的判断准则相同)，然后基于放大的振动信号进行动平衡计算与校正，直至达到动平衡精度要求。
6)动平衡校正完成后返回工作模式，即紧固顶板2与刚性支架3的连接，使主轴从平衡模式下的柔性支承切换回初始状态时的刚性支承，这时主轴已完成动平衡校正，可以进行正常加工。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图所示的刚度连续可调支承结构，弹簧刚度为5.0×105n·m-1，如图1为结构的刚性支承状态，如图9为结构的柔性支承状态。在柔性支承状态下，按前述的刚度调节方式，首先将转接件和滑块位置调到最低，弹簧位置调到最高，此时整体结构刚度较大，如图9(a)所示；接着将弹簧位置调到最低，转接件位置不变，此时刚度有一定减小，如图9(b)所示；最后调高转接件和滑块位置，此时整体结构刚度最小，如图9(c)所示。
利用ansysworkbench对结构在三种支承状态下分别进行模态分析，接触关系设置为：结构在振动过程中有相对运动的部件之间为无分离接触(noseparation)，无相对运动的部件之间为绑定接触(bonded)。分析结构的各阶模态，发现其二阶振型为前后方向振动，与主轴的振动放大方向一致，因此分析其二阶固有频率，如表1所示：
表1结构在各支承状态下的刚度及固有频率
从上述结果可以看到，结构在刚性支承状态下，其固有频率为486hz，而在柔性支承状态下，固有频率最大为77.8hz，两者差异很明显；柔性支承状态下，按照前述的刚度调节方式，结构刚度可以连续变化，固有频率变化范围从77.8hz到7.7hz，说明结构具有足够大的刚度变化范围，也验证了本发明的可行性。