阅读说明：本技术 一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法 (Device and method for accurately and quickly aligning rotary parts on machine ) 是由 康仁科 郭江 朱祥龙 焦振华 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法,属于精密/超精密加工技术领域。找正装置包括主控制器、高精度位移检测装置和微纳米位移调整装置。首先,通过主控制器控制高精度位移检测装置对零件外圆跳动进行数据采集,采集数据低通滤波处理后进行最小二乘拟合；再计算零件最大偏移量及对应的偏移角度,通过主控制器控制机床主轴旋转定位到指定角度,采用微纳米位移调整装置对零件位移进行纳米至微米级范围的调整,调整完成后再对零件外圆进行检测；最后重复以上调整过程直至回转类零件外圆跳动满足精密/超精密加工要求。本发明具有精度高,可达亚微米级甚至纳米级,调整方便快捷,调整精度的可重复性好,对操作者技术依赖性低,易于实现自动化。(A device and a method for accurately and quickly aligning rotary parts on a machine belong to the technical field of precision/ultra-precision machining. The alignment device comprises a main controller, a high-precision displacement detection device and a micro-nano displacement adjusting device. Firstly, controlling a high-precision displacement detection device to carry out data acquisition on the excircle runout of a part through a main controller, and carrying out least square fitting after low-pass filtering processing on the acquired data; then calculating the maximum offset and the corresponding offset angle of the part, controlling the main shaft of the machine tool to rotate and position to a specified angle through a main controller, adjusting the displacement of the part by adopting a micro-nano displacement adjusting device in a range from nano to micron, and detecting the excircle of the part after the adjustment is finished; and finally, repeating the adjusting process until the excircle runout of the rotary part meets the precision/ultra-precision machining requirement. The invention has the advantages of high precision, submicron or even nanometer level, convenient and quick adjustment, good repeatability of the adjustment precision, low technical dependence on operators and easy realization of automation.)

一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法

技术领域

本发明属于精密/超精密加工技术领域，具体涉及一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法。

背景技术

高精度回转类零件，例如：环、轴、轴套、球面或非球面零件、罩壳等广泛应用于航空航天、军事、医疗、精密仪器仪表和精密物理实验等领域，为满足不同领域的高性能需要，对该类回转类零件提出了极高的加工要求，包括零件的圆度、圆柱度、轮廓度误差和壁厚误差等，其尺寸精度和形位精度达到微米亚微米级，甚至纳米级加工要求，目前该类零部件主要采用精密/超精密车削或磨削等方法进行加工。

目前，精密/超精密车削或磨削加工时，该回转类零件主要通过技术操作人员用百分表、千分表等对零件外圆进行圆跳动检测，然后采用铜、铝、塑料、橡胶等材质较软的工具敲击零件外圆，调整零件位置，确保零件的回转中心线和机床主轴的回转中心线的重合度误差在较小的范围，该调整过程属于零件装夹过程的找正，也是该类零件加工中的重要过程，现有人工找正方式，高技术的操作人员精密调整找正精度能达到微米级水平，虽难度较高，且由于找正精度限制，加工过程中必须为后续加工过程预留更大的加工余量，这就必然导致精密/超精密加工阶段的材料去除量大，加工时间长，成本高，且由于找正精度低，零件旋转时做偏心运动，加工余量不均匀，且工具的实际切削深度变化，导致加工过程切削力变化，加工表面质量不稳定，易引起刀具崩碎。此外，对于内外均需要进行加工以同时保证零件轮廓度误差和壁厚误差的零件，零件翻面后二次装夹时，由于找正误差的影响导致内外表面加工后的实际回转中心线偏差大，且无法通过增加余量进行消除，直接导致零件的壁厚误差无法达到加工要求，成为目前限制该类零件超精密加工中高壁厚误差控制的关键技术瓶颈。

为此发明一种新的适用于精密/超精密加工过程的零件高精度找正装置及方法，以满足精密/超精密加工过程零件高轮廓度误差和高壁厚误差的加工需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明设计并提出了一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法，以满足精密/超精密加工过程回转类零件高精度的找正需求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种回转类零件在机精确找正装置，包括主控制系统、高精度位移检测装置6和微纳米位移调整装置14。

所述主控制系统用于控制高精度位移检测装置6检测回转类零件11外圆跳动，并对检测结果进行数据分析和处理，然后根据检测结果控制机床主轴(C轴)3旋转至指定角度，并控制微纳米位移调整装置14对回转类零件11位置进行调整，使得回转类零件11回转中心线和机床主轴(C轴)3回转中心线同轴度误差满足设计要求，以实现精确自动化找正。

所述高精度位移检测装置6包括高精度位移传感器64、位移传感器控制器、位移传感器安装座62、位移传感器位置精调装置、固定支架、位置精调装置和固定支架连接座68等。所述高精度位移传感器64通过数据线67与位移传感器控制器相连，并通过位移传感器锁紧螺钉63固定在位移传感器安装座62上。所述位移传感器安装座62通过固定螺钉A61与位移传感器位置精调装置相连。所述位移传感器位置精调装置通过齿条座固定螺钉610与位置精调装置和固定支架连接座68相连，位置精调装置和固定支架连接座68通过孔轴配合和固定支架水平横梁7相连，并通过定位锁紧螺钉69固定。所述的固定支架包括水平横梁7、立柱10、直角连接器8、横梁锁紧螺钉9、支座固定螺钉12和支撑底座13，所述水平横梁7通过直角连接器8和立柱10相连，并通过横梁锁紧螺钉9定位锁紧，所述支撑底座13通过支座固定螺钉12和固定底板B147相连。

其中，所述位移传感器位置精调装置包括精密齿条座66、精密齿轮滑台65、调整轮611、固定板A 612和固定板固定螺钉613；所述精密齿条座66和精密齿轮滑台65通过燕尾槽安装定位和导向；所述精密齿轮滑台65通过转动调整轮611在精密齿条座66上滑动，用来调节高精度位移传感器64的位置；所述固定板A 612通过固定板固定螺钉613固定在精密齿条座66上；所述齿轮滑台定位锁紧螺钉614用于将精密齿轮滑台65固定在固定板A 612上，即精密齿轮滑台65通过固定板A 612和固定板固定螺钉613与精密齿条座66保持相对固定。

所述微纳米位移调整装置14包括微纳米位移执行器142、微纳米位移控制器、微纳米位移执行器数据线141、执行器支座及差动升降板143、定位锁紧螺母144、微纳米位移执行器压头145、差动螺栓146、固定底板B147、T型螺母148、升降板锁紧螺钉149。所述微纳米位移执行器142通过微纳米位移执行器数据线141和微纳米位移控制器相连，微纳米位移执行器142通过螺纹连接安装在执行器支座及差动升降板143上，该螺纹可用于粗调微纳米位移执行器142的上下位置，微纳米位移执行器142上端设置有定位锁紧螺母144；所述执行器支座及差动升降板143通过燕尾槽和固定底板B147连接导向，并通过差动螺栓146驱动执行器支座及差动升降板143精密移动，升降板锁紧螺钉149及T型螺母148用于锁定固定底板B147和执行器支座及差动升降板143的相对位置，所述微纳米位移执行器压头145通过螺纹连接安装在微纳米位移执行器142前端，用于回转类零件11的位置调整，其中微纳米位移执行器压头145的尺寸和材质可根据回转类零件11的形状尺寸和材质进行更换，以保护回转类零件11外表面不形成压痕。

一种回转类零件在机精确找正方法，包括以下步骤：

(1)在机精确找正装置安装调试：

将高精度位移检测装置6和微纳米位移调整装置14依次安装固定在机床1上的B轴垫块15上，将主控制器通过位移传感器控制器数据线17与位移传感器控制器相连，位移传感器控制器通过位移传感器数据线67与高精度位移传感器64相连组成高精度位移检测装置；主控制器通过微纳米位移控制器数据线18与微纳米位移控制器相连，微纳米位移控制器通过微纳米位移执行器数据线141与微纳米位移执行器相连组成微纳米位移调整装置；主控制器通过微纳米位移传感器数据线19与机床控制系统相连，机床控制系统通过机床控制线20与机床相连组成机床控制回路；将各部件连接完毕并调试好。

(2)在位精车零件夹具5定位安装面：

主轴(C轴)3安装在主轴座4上，主轴座4安装在X轴2上，将固持回转类零件用零件夹具5安装在机床主轴(C轴)3法兰上，并采用精加工刀具对零件夹具5定位安装面进行在位精加工，减小或消除零件夹具5安装误差。

(3)回转类零件装夹及粗调：

将回转类零件11安装在零件夹具5上，通过零件夹具5在回转类零件11上施加较小的固持力，保持回转类零件11在无外力作用下不会自动滑移，采用传统方式粗调回转类零件11位置，使得回转类零件11的跳动范围在5～30μm。

(4)在机精确找正装置位置调整：

首先，通过粗调水平横梁7的高度和精调高精度位移传感器64的高度使得高精度位移传感器64到回转类零件11的距离在高精度位移传感器64的量程内，然后，通过调整微纳米位移执行器142螺纹旋入深度粗调微纳米位移执行器142至回转类零件11外圆的距离，再通过调整水平横梁7的摆角和位移传感器位置精调装置的调整轮611使得高精度位移传感器64和微纳米位移执行器142轴线共线，通过主控制器控制机床控制系统使X轴2和Z轴16移动，使得高精度位移传感器64和微纳米位移执行器142的连线通过回转类零件11直径，即高精度位移传感器64和微纳米位移执行器142分别位于回转类零件11外圆最高点和最低点，再通过差动螺栓146精密调整执行器支座及差动升降板143带动微纳米位移执行器142移动，使得微纳米位移执行器142至回转类零件11外圆的距离D0小于其量程L0的1/5。

(5)零件跳动检测：

通过主控制器控制机床控制系统使机床主轴(C轴)3以C轴模式旋转并带动零件夹具5带动回转类零件11旋转，并同时控制位移传感器控制器控制高精度位移传感器64对回转类零件11外圆进行跳动检测，并实时记录零件的角度信息θ和对应角度的跳动值δ(R)，将测量结果传输并存储在主控制器上。

(6)回转类零件中心位置分析计算：

主控制器对高精度位移传感器64采集到的回转类零件11外圆跳动数据进行滤波处理并拟合，计算回转类零件11中心最大偏移量δ(Ri)及其对应的偏移角度位置θ(i)。

(7)零件位置调整：

主控制器根据高精度位移传感器64采集到的回转类零件11外圆跳动数据分析结果，控制机床主轴(C轴)以C轴3模式旋转并带动零件夹具5带动回转类零件11旋转到指定角度θ(i)，并同时控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器142移动距离d＝D0+δ(Ri)，对回转类零件11的位置进行微调。

(8)重复步骤5、6、7，直至步骤(6)中分析计算的回转类零件11中心最大偏移量小于等于许用误差ε，则回转类零件11位置调整完毕。

进一步的，步骤(6)中所述回转类零件位置分析计算主要包括以下过程：

对N个循环采集到的数据进行低通滤波处理，然后采用最小二乘法对数据进行拟合，然后计算对应每个角度θ(i)时，δ(Ri)的平均值，并给出所有点中距离机床主轴(C轴)3回转中心线的最大值δ_Rmax和最小值δ_Rmix及其对应的角度θ(i)_max和θ(i)_mix。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法，通过采用高精度位移检测装置对零件外圆跳动进行检测并采用微纳米位移调整装置对零件的位置进行精密调整，相比现有通过人工调整的方式具有测量精度高，调整精度高，可实现亚微米级甚至纳米级的找正精度；

(2)一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法，将高精度位移检测装置和微纳米位移调整装置安装在机床Z轴托板上，呈竖直布置，可以借助超精密机床的X轴和Z轴运动找到回转体零件的最佳检测和调整位置，并利用超精密机床C轴定位功能精确快速找到零件中心相对C轴中心的偏离角度及偏离量，可以实现精确快速调整，且只需一个微纳米位移执行器结合C轴旋转可以实现任意角度位置的移动，调整过程简单方便快捷，该方法易于实现自动化调整；

(3)一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法，相比现有零件找正方法具有找正精度高，重复性好，找正过程对操作者技能依赖低，适用于精密/超精密自动化加工，且该方法对采集后的数据进行分析处理后，可以重构零件相对主轴的位置，易于在加工程序中进行误差补偿加工。

附图说明

图1是本发明的一种回转类零件在机精确快速找正装置及方法原理图。

图2是本发明的一种回转类零件在机精确找正装置总体结构装配示意图。

图3是本发明的一种回转类零件在机精确找正装置结构示意图。

图4是本发明的一种回转类零件在机精确找正装置的高精度位移检测装置结构示意图。

图5是本发明的一种回转类零件在机精确找正装置的高精度位移检测装置锁紧机构结构示意图。

图6是本发明的一种回转类零件在机精确找正装置的微纳米位移调整装置结构示意图。

图7是本发明的一种回转类零件在机精确找正的方法。

图中：1机床，2X轴，3主轴(C轴)，4主轴座，5零件夹具，6高精度位移检测装置，7水平横梁，8直角连接器，9横梁锁紧螺钉，10立柱，11回转类零件，12支座固定螺钉，13支撑底座，14微纳米位移调整装置，15B轴垫块，16Z轴，17位移传感器控制器数据线，18微纳米位移控制器数据线，19微纳米位移传感器数据线，20机床控制线，61固定螺钉A，62位移传感器安装座，63位移传感器锁紧螺钉，64高精度位移传感器，65精密齿轮滑台，66精密齿条座，67位移传感器数据线，68位置精调装置和固定支架连接座，69定位锁紧螺钉，610齿条座固定螺钉，611调整轮，612固定板A，613固定板固定螺钉，614齿轮滑台定位锁紧螺钉，141微纳米位移执行器数据线，142微纳米位移执行器，143执行器支座及差动升降板，144定位锁紧螺母，145微纳米位移执行器压头，146差动螺栓，147固定底板B，148T型螺母，149升降板锁紧螺钉。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的具体实施例仅供解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-7所示，一种回转类零件在机精确找正装置，包括主控制系统、高精度位移检测装置6和微纳米位移调整装置14三大主要部分组成；

所述主控制系统用于控制高精度位移检测装置6检测回转类零件11外圆跳动，并对检测结果进行数据分析和处理，然后根据检测结果控制机床主轴(C轴)3旋转至指定角度，并控制微纳米位移调整装置14对回转类零件11位置进行调整，使得回转类零件11回转中心线和机床主轴(C轴)3回转中心线同轴度误差满足设计要求，以实现精确自动化找正；主轴3安装在主轴座4上。

所述高精度位移检测装置6包括高精度位移传感器64、位移传感器控制器、位移传感器安装座62、位移传感器位置精调装置、固定支架、位置精调装置和固定支架连接座68等组成；

所述高精度位移传感器64通过数据线67与位移传感器控制器相连，并通过位移传感器锁紧螺钉63固定在位移传感器安装座62上；

所述位移传感器安装座62通过固定螺钉A61和位移传感器位置精调装置相连；

所述位移传感器位置精调装置通过齿条座固定螺钉610和位置精调装置和固定支架连接座68相连，位置精调装置和固定支架连接座68通过孔轴配合和固定支架水平横梁7相连，并通过定位锁紧螺钉69固定；

其中，所述位移传感器位置精调装置包括精密齿条座66、精密齿轮滑台65、调整轮611、固定板A 612和固定板固定螺钉613，所述精密齿条座66和精密齿轮滑台65通过燕尾槽安装定位和导向，所述精密齿轮滑台65通过转动调整轮611在精密齿条座66上滑动，用来调节高精度位移传感器64的位置，所述固定板A 612通过固定板固定螺钉613固定在精密齿条座66上，所述齿轮滑台定位锁紧螺钉614用于将精密齿轮滑台65固定在固定板A 612上，即精密齿轮滑台65通过固定板A 612和固定板固定螺钉613与精密齿条座66保持相对固定；

所述固定支架包括水平横梁7、立柱10、直角连接器8、横梁锁紧螺钉9、支座固定螺钉12和支撑底座13，所述水平横梁7通过直角连接器8和立柱10相连，并通过横梁锁紧螺钉9定位锁紧；所述支撑底座13通过支座固定螺钉12和固定底板B147相连；

所述微纳米位移调整装置包括微纳米位移执行器142、微纳米位移控制器、微纳米位移执行器数据线141、执行器支座及差动升降板143、定位锁紧螺母144、微纳米位移执行器压头145、差动螺栓146、固定底板B147、T型螺母148、升降板锁紧螺钉149；

所述微纳米位移执行器142通过微纳米位移执行器数据线141和微纳米位移控制器相连，微纳米位移执行器142通过螺纹连接安装在执行器支座及差动升降板143上，该螺纹可用于粗调微纳米位移执行器142的上下位置，微纳米位移执行器142上端设置有定位锁紧螺母144，执行器支座及差动升降板143通过燕尾槽和固定底板B147连接导向，并通过差动螺栓146驱动执行器支座及差动升降板143精密移动，升降板锁紧螺钉149用于锁定固定底板B147和执行器支座及差动升降板143的相对位置；

一种回转类零件在机精确找正方法，包括以下步骤：

(1)在机精确找正装置安装调试：将高精度位移检测装置和微纳米位移调整装置依次安装固定在机床1上，将主控制器通过位移传感器控制器数据线17和位移传感器控制器相连，位移传感器控制器通过位移传感器数据线67和高精度位移传感器64相连组成高精度位移检测装置；主控制器通过微纳米位移控制器数据线18和微纳米位移控制器相连，微纳米位移控制器通过微纳米位移执行器数据线141和微纳米位移执行器相连组成微纳米位移调整装置；主控制器通过微纳米位移传感器数据线19和机床控制系统相连，机床控制系统通过机床控制线20和机床相连组成机床控制回路；将各部件连接完毕并调试好。

(2)回转类零件装夹及粗调：在位精车零件夹具5定位安装面，将回转类零件11安装在零件夹具5上，通过零件夹具5在回转类零件11上施加较小的固持力，保持回转类零件11在无外力作用下不会自动滑移，采用传统方式粗调回转类零件11位置，使得回转类零件11的跳动范围在5～30μm；

(3)在机精确找正装置位置调整：首先，通过粗调水平横梁7的高度和精调高精度位移传感器64的高度使得高精度位移传感器64到回转类零件11的距离在高精度位移传感器64的量程内，然后，通过调整微纳米位移执行器142螺纹旋入深度粗调微纳米位移执行器142至回转类零件11外圆的距离，再通过调整水平横梁7的摆角和移传感器位置精调装置的调整轮611使得高精度位移传感器64和微纳米位移执行器142轴线共线，通过主控制器控制机床控制系统使X轴2和Z轴16移动，使得高精度位移传感器64和微纳米位移执行器142的连线通过回转类零件11直径，即高精度位移传感器64和微纳米位移执行器142分别位于回转类零件11外圆最高点和最低点，再通过差动螺栓146精密调整执行器支座及差动升降板143带动微纳米位移执行器142移动，使得微纳米位移执行器142至回转类零件11外圆的距离D0小于其量程L0的1/5；

(4)零件跳动检测：通过主控制器控制机床控制系统使机床主轴(C轴)3以C轴模式旋转并带动零件夹具5带动回转类零件11旋转，并同时控制位移传感器控制器控制高精度位移传感器64对回转类零件11外圆进行跳动检测，并实时记录零件的角度信息θ和对应角度的跳动值δ(R)，将测量结果传输并存储在主控制器上；

(5)零件中心位置分析计算：主控制器对高精度位移传感器64采集到的回转类零件11外圆跳动数据进行滤波处理并拟合，计算零件中心最大偏移量δ(Ri)及其对应的偏移角度位置θ(i)；

(6)零件位置调整：主控制器根据高精度位移传感器64采集到的回转类零件11外圆跳动数据分析结果，控制机床主轴(C轴)3以C轴模式旋转并带动零件夹具5带动回转类零件11旋转到指定角度θ(i)，并同时控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器142移动距离d＝D0+δ(Ri)，对回转类零件11的位置进行微调；

(7)重复步骤5、6、7，直至步骤(6)中分析计算的回转类零件11中心最大偏移量小于等于许用误差ε，则回转类零件11位置调整完毕。

所述零件位置分析计算主要包括以下过程：

对N个循环采集到的数据进行低通滤波处理，然后采用最小二乘法对数据进行拟合，然后计算对应每个角度θ(i)时，δ(Ri)的平均值，并给出所有点中距离机床主轴(C轴)3回转中心线的最大值δ_Rmax和最小值δ_Rmix及其对应的角度θ(i)_max和θ(i)_mix。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。