專利名稱：一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種主軸的測量方法與裝置，尤其是涉及一種基于柱面電容傳感器的 主軸五自由度測量方法與裝置。
背景技術：
高精度主軸是納米金剛石車床、精密加工中心、硬盤驅動器、高精度旋轉電機、大 型汽輪發(fā)電機等超精密裝備或大型基礎裝備的關鍵部件，主軸的運動誤差(回轉誤差)對 整機的工作精度、性能有著直接的影響。例如，金剛石車床主軸的運動精度，直接影響加工 工件的形狀精度和表面粗糙度。精密車削的圓度誤差約有30% 70%是由于主軸的回轉 誤差引起的，且機床的精度越高，所占的比例越大。主軸的運動誤差包括徑向跳動(δχ，δγ)、軸向竄動(δζ)、傾角偏轉運動(εχ， εγ)共五個自由度，目前的主要檢測手段是非接觸式電容傳感器或電渦流傳感器，且以離 線測量為主。為了有效測量高精度主軸(或軸承)的運動誤差，一些學者開展了相關研究工作。 巴西的A. Ortiz Salazar等提出采用一個環(huán)狀電容和4個矩形電容極板的組合實現(xiàn)對磁懸 浮軸承的徑向跳動測量。日本學者Jiro Kuroki等提出了用于磁懸浮軸承的電容式位移傳 感器。韓國學者Hyeong-Joon Ahn提出了實現(xiàn)徑向位移(兩自由度)的柱狀電容位移傳感 器，同時該學者也開展了基于盤片狀平面電容傳感器測量旋轉軸五自由度幾何誤差的方法 研究，雖然能同時測量主軸的五個自由度誤差，但該電容傳感器呈現(xiàn)同心平面分布，其計算 模型復雜，存在較嚴重的非線性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量方法與裝置， 結合徑向電容和端面電容的特點，采用電容的差動布局，簡化了計算模型，為在線動態(tài)測量 主軸五自由度運動提供了一種簡單有效的方法。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是—、基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量方法在測量過程中，被測主軸與柱狀電容傳感器的轉子部分固接在一起，柱狀電容傳 感器的轉子隨主軸一起轉動，柱狀電容傳感器的轉子與徑向布置的四個電極以及端面布置 的四個電極一起構成了八個電容；徑向四個電容測量被測主軸X，Y兩個方向的徑向跳動 δχ, δ γ;當主軸在χ方向有徑向跳動時，徑向四個電容發(fā)生變化，測量各電容的變化計算χ 方向的跳動，同理計算Y方向的跳動；端面四個電容測量主軸的軸向竄動32和主軸繞父3 兩方向的轉動εχ，ε γ;當主軸沿軸向竄動時引起電容極距發(fā)生變化，測量端面四個電容的 變化即獲得軸向竄動量Sz;當主軸沿X軸有轉動量時，端面四個電容發(fā)生變化，通過計算 得主軸轉動量ε χ,同理可計算得主軸轉動量ε γ。所述徑向布置的四個電容，其中第一象限電容Cl和第四象限電容C4與第二象限
電容C2和第三象限電容C3構成一對差動電容，測量X方向的徑向跳動δ x;第一象限電容 Cl和第二象限電容C2與第三象限電容C3和第四象限電容C4構成另一對差動電容，測量Y 方向的徑向跳動S γ。所述端面布置的四個電容，其中第一象限電容C5和第二象限電容C6與第三象限 電容C7和第四象限電容C8構成一對差動電容，測量主軸繞X軸的轉動量ε χ ；第一象限電 容C5和第四象限電容C8與第二象限電容C6和第三象限電容C7構成一對差動電容，測量 主軸繞Y軸的轉動量ε γ;四個象限電容一起構成電容組測量主軸的軸向竄動量、。二、基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量裝置包括轉子和定子；在階梯形轉子的小端安裝定子，所述定子的內(nèi)柱面中安裝四個 徑向電極，四個電極與轉子小端構成四個電容Cl C4，靠近階梯形轉子的大端面一側的定 子側面安裝四個等分布置的端面電極，四個電極與轉子大端構成另外四個電容C5 C8。所述四個徑向電極Cl C4與四個端面電極C5 C8在四個象限內(nèi)分別同位對稱布置。本發(fā)明具有的有益效果是1)可以實現(xiàn)對主軸運轉過程中五個自由度的動態(tài)測量。2)測量過程中5個自由度之間的耦合關系簡單，通過對信號進行簡單的數(shù)學處理 可消除它們之間的耦合關系，得到五個獨立的測量數(shù)據(jù)。3)裝置結構簡單，易于實現(xiàn)，設備成本低。本發(fā)明適合高精度主軸的運動誤差測量，有很大的工程實用價值。


圖1是柱狀電容傳感器的立體結構示意圖；圖2是定子的剖視圖；圖3是徑向測量電容的電極布局示意圖；圖4是端面測量電容的電極布局示意圖；圖5是被測主軸發(fā)生徑向跳動時的示意圖；圖6是基于柱面電容傳感器的主軸五自由度運動測量系裝置結構示意圖。圖中1、轉子，2、定子，3、徑向電極，4、端面電極，5、被測主軸，6、電容傳感器信號 處理電路，7、計算機，8、引線，9、支承架，10、底座，r為電容傳感電極的半徑，g為定子和轉 子之間的距離，α為主軸在徑向的跳動量，β為電容電極積分計算點與χ軸夾角，θ為積
分變量。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖6所示，包括轉子1和定子2 ；在階梯形轉子1的小端安裝定子2， 所述定子2的內(nèi)柱面中安裝四個徑向電極，四個電極與轉子1小端構成四個電容Cl C4， 靠近階梯形轉子1的大端面一側的定子2側面安裝四個等分布置的端面電極，四個電極與 轉子大端構成另外四個電容C5 C8。柱狀電容傳感器的轉子1固接于被測主軸5上，隨著主軸一起轉動，轉子2經(jīng)固定 支架8安裝固定，安裝要求轉子與定子同心。徑向分布電極按圖3所示安裝于定子內(nèi)壁，端面電容按圖4所示安裝于定子軸向端面。每個電容均由電纜8連接至電容傳感器信號處理 電路6，計算機7內(nèi)置有數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)處理軟件，對來自電容的信號進行分析處理，得到 主軸各自由度的運動量。測量裝置通過固定支架8安裝于底座10上。所述的徑向電極3，結構設計如圖2所示，對于徑向測量的電容傳感器電極部分， 圓筒內(nèi)圓柱面布局四個電極Cl C4，平均分布，且電極在軸向(Z向)的長度比轉子的軸長 度短一定的值，以保證在出現(xiàn)最大軸向竄動時也不改變電容極板的重疊面積，以消除主軸 軸向竄動(Sz)對徑向跳動測量值的耦合影響。所述的端面電極4，結構設計如圖2所示，對于電容傳感器的端面測量電極部分， 布局有四個電極C5 C8，在圓周上平均分布，其測量電極圓環(huán)外徑值D小于轉子凸臺外徑， 兩直徑大小的差值由主軸跳動量等因素決定，以最大徑向跳動值情況下轉子凸臺外圓比扇 形電極外徑大一定量為宜；同時，對定子中的測量電極布局等電位保護環(huán)，以克服邊緣效 應，并消除主軸徑向跳動(、，δγ)對測量值可能造成的耦合影響。整個測量系統(tǒng)結構如圖6所示，轉子1與被測主軸5連接在一起，定子經(jīng)支撐部分 9固定于底座10上。徑向電容3與轉子1的徑向距離δ保持在很小距離，端面電容4與轉 子1的軸向距離保持在很小距離。安裝時四個徑向電容在同一個圓周上，四個端面電容極 板在同一個平面，且該平面平行于轉子的軸向切面。徑向測量電容部分，電極沿圓筒內(nèi)圓柱面均勻布置，如圖3所示，其作用是測量主 軸的徑向跳動誤差(δχ，δ γ)，即測量主軸在χ、γ向的線性位移。其跳動量的理論計算式如 下Sx = A (C^C4-C2-C3)(1)δ γ = f2 (C^C2-C3-C4)(2)式中，Cl C4為四個徑向測量電容值，fl、f2分別X軸、Y軸方向的測量電容值與 位移值的轉換函數(shù)。端面測量電容部分，電極為沿X、Y軸對稱布局的扇形圓環(huán)，如圖4所示，其作用是 測量軸沿Z向的軸向竄動誤差(δ ζ)和軸的偏轉誤差(ε χ，ε γ)，即繞Χ、Υ坐標軸的旋轉角 位移。其計算式為δ z = f3 (C5+C6+C7+C8)(3)ε χ = f4 (C5+C6-C7-C8)(4)ε γ = F5 (C5+C8-C6-C7)(5)式中，C5 C8為端面測量的四個電容值。f3 f5分別Z軸線性方向位移、繞X 軸、Y軸方向的轉角位移與測量電容值的轉換函數(shù)。通過8個電容測量值Cl C8，由(1) (5)可以得到主軸的五自由度運動誤差值。結合電容測量理論，分別考慮各測量方向(即εχ，εγ，δχ，δγ，δζ)有位移值時， 相應電容值的變化，分別建立其數(shù)學模型。以徑向跳動測量為例，討論電容測量的數(shù)學模 型。式(1)、(幻給出了轉子相對定子產(chǎn)生的兩方向徑向跳動位移和4個電容傳感電極 (Cl C4)的對應關系。當柱狀電容傳感器的轉子相對于其理想軸心沒有發(fā)生偏轉時，可以得到傳感器極 板上的電容表達式為
權利要求
1.一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量方法，其特征在于在測量過程中， 被測主軸與柱狀電容傳感器的轉子部分固接在一起，柱狀電容傳感器的轉子隨主軸一起轉 動，柱狀電容傳感器的轉子與徑向布置的四個電極以及端面布置的四個電極一起構成了八 個電容；徑向四個電容測量被測主軸X，Y兩個方向的徑向跳動δχ’ δγ;當主軸在χ方向 有徑向跳動時，徑向四個電容發(fā)生變化，測量各電容的變化計算X方向的跳動，同理計算Y 方向的跳動；端面四個電容測量主軸的軸向竄動、和主軸繞X，Y兩方向的轉動εχ，εγ; 當主軸沿軸向竄動時引起電容極距發(fā)生變化，測量端面四個電容的變化即獲得軸向竄動量 δ ζ ；當主軸沿X軸有轉動量時，端面四個電容發(fā)生變化，通過計算得主軸轉動量ε χ，同理可 計算得主軸轉動量ε γ。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量方法，其特征 在于所述徑向布置的四個電容，其中第一象限電容Cl和第四象限電容C4與第二象限電容 C2和第三象限電容C3構成一對差動電容，測量X方向的徑向跳動δ χ ；第一象限電容Cl和 第二象限電容C2與第三象限電容C3和第四象限電容C4構成另一對差動電容，測量Y方向 的徑向跳動δγο
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量方法，其特征 在于所述端面布置的四個電容，其中第一象限電容C5和第四象限電容C6與第三象限電容 C7和第四象限電容C8構成一對差動電容，測量主軸繞X軸的轉動量εχ;第一象限電容C5 和第四象限電容C8與第二象限電容C6和第三象限電容C7構成一對差動電容，測量主軸繞 Y軸的轉動量ε γ;四個象限電容一起構成電容組測量主軸的軸向竄動量、。
4.根據(jù)權利要求1所述方法的一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量裝置，其 特征在于包括轉子(1)和定子(2)；在階梯形轉子(1)的小端安裝定子(2)，所述定子(2) 的內(nèi)柱面中安裝四個徑向電極，四個電極與轉子(1)小端構成四個電容Cl C4，靠近階梯 形轉子(1)的大端面一側的定子(2)側面安裝四個等分布置的端面電極，四個電極與轉子 大端構成另外四個電容C5 C8。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度測量裝置，其特征 在于所述四個徑向電極Cl C4與四個端面電極C5 C8在四個象限內(nèi)分別同位對稱布 置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于柱面電容傳感器的主軸五自由度運動誤差測量方法與裝置。在階梯形轉子的小端安裝定子，定子的內(nèi)柱面中安裝四個徑向電極，四個電極與轉子小端構成四個電容，靠近階梯形轉子的大端面一側的定子側面安裝四個等分布置的端面電極，四個電極與轉子大端構成另外四個電容。測量過程中，轉子與被測主軸固接在一起隨主軸同步轉動，定子通過支撐件安裝固定，設置于定子上的電極與轉子電極構成電容。運轉過程中，當主軸有徑向的跳動、軸向的竄動或者發(fā)生偏轉時將改變相應電容的參數(shù)，引起電容值的變化，通過對所設置的電容值測量并進行相應的數(shù)學計算可得到主軸在運轉過程中五個自由度方向上的運動位移。本發(fā)明結構簡單、設備成本低。
文檔編號G01B7/02GK102095356SQ20101053696
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權日2010年11月9日
發(fā)明者余建平, 盧科青, 文耀華, 王文, 陳子辰 申請人:浙江大學