本发明属于精密机械制造及误差测量领域，一种具有运动偏差实时测量功能的旋转工作台及测量方法。该转台主要包括安装在主轴上的上下放置的两套编码盘测量系统，其中上码盘(码盘A)装有两个间隔为90°的读数头，下码盘(码盘B)装有三个依次间隔为90°的读数头，且码盘A的两个读数头与码盘B的三个读数头中的两个分别同轴。在主轴回转过程中，根据码盘B中对径安装的两个读数头可以计算得到主轴的绝地转角，根据其余读数头与主轴绝对转角的差值，可以计算主轴上A、B两点在X、Y两个方向的径向运动误差，进一步可以推导主轴上任意一点的径向运动误差。
1.一种具有运动偏差实时测量功能的旋转工作台的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1-1：将码盘A和码盘B分别固定在转台主轴上下轴肩位置；
步骤1-3：将读数头A和读数头B间隔90°与码盘A配套安装；读数头C、读数头D、读数头E依次间隔90°与码盘B配套安装；同时使读数头A和读数头C同轴，读数头B和读数头D同轴；以主轴轴线为Z轴，码盘A的读数头A和读数头B所在的方向分别为Y向和X向建立空间直角坐标系；
步骤1-4：从码盘的零位开始，匀速转动主轴一圈，并记录各读数头数值；
步骤1-5：根据读数头A、B、C、D、E的读数，计算出主轴的绝对转角及码盘A、码盘B在各回转角度处沿X方向和Y方向的径向运动量；码盘沿X方向和Y方向的径向运动量即为码盘相对于主轴的安装偏心在X方向和Y方向的分量；
步骤2-1：将主轴连同标定好安装偏心的两个码盘作为一个整体装入转台壳体中，各读数头按照标定时的相对位置关系安装；
步骤2-2：主轴绝对转角测量：工作过程中，读数头的读数均由主轴转过的绝对角度和码盘径向运动引起的角度变化两部分组成；根据对径安装的读数头C和读数头E的读数，求出主轴的绝对转角；
步骤2-3：码盘径向运动误差测量：根据读数头A、读数头B、读数头C、读数头D与主轴绝对转角的差值，求出码盘A和码盘B在X方向和Y方向的径向运动量；
步骤2-4：转台主轴径向运动误差计算：步骤2-3中测得的码盘径向运动量由码盘安装偏心和主轴径向运动误差两部分组成，将步骤2-3测得的码盘径向运动量减去步骤1标定的码盘安装偏心，得出主轴上A、B两点在X方向和Y方向的径向运动误差；
步骤2-5：转台主轴偏摆角计算：根据主轴上A、B两点在X方向和Y方向的径向运动误差及码盘A、B的中心距，计算出主轴在X方向和Y方向的偏摆角。
2.根据权利要求1所述的具有运动偏差实时测量功能的旋转工作台的测量方法应用的具有运动偏差实时测量功能的旋转工作台，其特征在于，包括主轴(2)、轴承端盖(13)、盖板(15)、壳体(16)、轴承(14)、读数头安装盘A(3)、码盘A(6)、读数头安装盘B(11)、码盘B(7)、读数头A(4)、读数头B(5)、读数头C(8)、读数头D(9)、读数头E(10)；所述读数头安装盘A(3)、码盘A(6)、码盘B(7)、读数头安装盘B(11)顺次与主轴同轴安装；其中读数头安装盘A和读数头安装盘B安装在壳体上；码盘A和码盘B分别以上下轴肩定位安装在主轴上；读数头A(4)和读数头B(5)同圆周且间隔90°设置于读数头安装盘A上，用于读取码盘A的回转角度；读数头C(8)、读数头D(9)和读数头E(10)同圆周且依次间隔90°设置于读数头安装盘B上，读取码盘B的回转角度；其中读数头A(4)和读数头C(8)同轴；读数头B(5)和读数头D(9)同轴；读数头安装盘A(3)和读数头安装盘B(11)两侧均由内向外依次安装轴承(14)、盖板(15)、轴承端盖(13)，该旋转工作台为一个密封整体。
一种具有运动偏差实时测量功能的旋转工作台及测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于精密机械制造及误差测量领域，具体涉及一种测量转轴径向运动误差与偏摆误差的方法。
背景技术
[0002] 回转工作台或转轴广泛应用于测试设备及自动化装备中，随着智能装备的普及，对转台的精度要求越来越高，像数控机床、机械手臂、跟踪仪等设备，不仅对回转角度定位精度要求较高，转台的径向运动误差也不可忽视。当前有很多关于转轴径向运动误差的测量方法，如采用基准圆球、圆柱的直接测量，通过误差分离技术消除原始误差。还有采用激光自准直技术测量转台的偏摆误差等。
[0003] 为了提高转台的角度测量与定位精度，很多转台采用多读数头的圆光栅测量转动角度，通过分析多个读数头的读数，采用特定方法可以消除光栅安装偏心、转轴径向运动对角度测量的影响。同理，若已知圆光栅相对于转轴的安装偏心，根据多读数头的读数可以分析得到转轴的径向运动误差。基于此，本发明提出了一种转轴运动误差可以实时测量的转台。
发明内容
[0004] 本发明提出了一种径向运动与偏摆角误差可以实时测量的转台，该转台主要包括安装在主轴上的上下放置的两套编码盘测量系统，其中上码盘(码盘A)装有两个间隔为90°的读数头，下码盘(码盘B)装有三个依次间隔为90°的读数头。
[0005] 为叙述方便，规定码盘A所在的截面与主轴轴线交于A点，码盘B所在的截面与主轴轴线交于B点；以主轴轴线为Z轴，码盘A的读数头A和读数头B所在的方向分别为Y向和X向建立空间直角坐标系。
[0006] 一种具有运动偏差实时测量功能的旋转工作台，包括主轴、轴承端盖、盖板、壳体、轴承、读数头安装盘A、码盘A、读数头安装盘B、码盘B、读数头A、读数头B、读数头C、读数头D、读数头E；所述读数头安装盘A、码盘A、码盘B、读数头安装盘B顺次与主轴同轴安装；其中读数头安装盘A和读数头安装盘B安装在壳体上；码盘A和码盘B分别以上下轴肩定位安装在主轴上；读数头A和读数头B同圆周且间隔90°设置于读数头安装盘A上，用于读取码盘A的回转角度；读数头C、读数头D和读数头E同圆周且依次间隔90°设置于读数头安装盘B上，读取码盘B的回转角度；其中读数头A和读数头C同轴；读数头B和读数头D同轴；读数头安装盘A和读数头安装盘B两侧均由内向外依次安装轴承、盖板、轴承端盖，该旋转工作台为一个密封整体。
[0007] 上述具有运动偏差实时测量功能的旋转工作台的测量方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤1，标定码盘安装偏心误差；
[0009] 步骤1-1：将码盘A和码盘B分别固定在转台主轴上下轴肩位置；
[0010] 步骤1-2：将主轴用顶尖A和顶尖B进行固定；
[0011] 步骤1-3：将读数头A和读数头B间隔90°与码盘A配套安装；读数头C、读数头D、读数头E依次间隔90°与码盘B配套安装；同时使读数头A和读数头C同轴，读数头B和读数头D同轴；
[0012] 步骤1-4：从码盘的零位开始，匀速转动主轴一圈，并记录各读数头数值；
[0013] 步骤1-5：根据读数头A、B、C、D、E的读数，计算出主轴的绝对转角及码盘A、码盘B在各回转角度处沿X方向和Y方向的径向运动量；因主轴为顶尖定位，其顶尖孔连线(主轴轴线)为固定，所以此时码盘沿X方向和Y方向的径向运动量即为码盘相对于主轴的安装偏心在X方向和Y方向的分量；
[0014] 步骤2，转台运动误差测量；
[0015] 步骤2-1：将主轴连同标定好安装偏心的两个码盘作为一个整体装入转台壳体中，各读数头按照标定时的相对位置关系安装；
[0016] 步骤2-2：主轴绝对转角测量：工作过程中，读数头的读数均由主轴转过的绝对角度和码盘径向运动引起的角度变化两部分组成；根据对径安装的读数头C和读数头E的读数，求出主轴的绝对转角；
[0017] 步骤2-3：码盘径向运动误差测量：根据读数头A、读数头B、读数头C、读数头D与主轴绝对转角的差值，求出码盘A和码盘B在X方向和Y方向的径向运动量；
[0018] 步骤2-4：转台主轴径向运动误差计算：步骤2-3中测得的码盘径向运动量由码盘安装偏心和主轴径向运动误差两部分组成，码盘安装偏心已在步骤1中标定，故将步骤2-3测得的码盘径向运动量减去步骤1标定的码盘安装偏心，得出主轴上A、B两点在X方向和Y方向的径向运动误差；
[0019] 步骤2-5：转台主轴偏摆角计算：根据主轴上A、B两点在X方向和Y方向的径向运动误差及码盘A、B的中心距，计算出主轴在X方向和Y方向的偏摆角。
[0020] 本发明的有益效果是该测量方法可以嵌入到小型回转工作台中，实现对转台径向运动误差和偏摆角误差的非接触式在线测量，消除了长时间测量时磨损对测量系统精度的影响，同时也可实现转台回转角度的高精度定位。该测量方法无需采用标准器，消除了标准器的制造误差对测量的影响。该方法采用误差分离式测量主轴径向运动误差，对圆光栅的装配精度要求不高，降低了圆光栅的装配难度。
附图说明
[0021] 图1码盘安装偏心测量装置示意图；
[0022] 图2双码盘转台；
[0023] 图3码盘B径向运动误差测量原理图；
[0024] 图4码盘A径向运动误差测量原理图；
[0025] 图5主轴偏摆角误差测量原理图；
[0026] 图中：1顶尖A；2主轴；3读数头安装盘A；4读数头A；5读数头B；6码盘A；7码盘B；8读数头C；9读数头D；10读数头E；11读数头安装盘B；12顶尖B；13轴承端盖；14轴承；15盖板；16壳体。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案。
[0028] 步骤1，标定光栅盘安装偏心，如图1所示：
[0029] 步骤1-1：将码盘A6、码盘B7分别固定在主轴2的两侧轴肩位置。
[0030] 步骤1-2：将装好码盘的主轴2用顶尖A1和顶尖B12进行固定。
[0031] 步骤1-3：将读数头A4和读数头B5间隔90°安装在码盘A6的一侧，读取码盘A6的转角；将读数头C8、读数头D9、读数头E10依次间隔90°安装在码盘B7的一侧，读取码盘B7的转角；同时使得读数头A4和读数头C8同轴，读数头B5和读数头D9同轴。
[0032] 步骤1-4：从码盘A6零位与读数头A4重合为起点，匀速转动主轴一圈，并记录各读数头数值。
[0033] 步骤1-5：主轴绝对转角计算：如图3所示，读数头C8和读数头E10对径安装，以读数头C8、E10连线为Y轴，码盘B7圆心为原点建立坐标系。初始时码盘B7在图3中实线位置，当主轴转过θ角度后，在安装偏心e的影响下，码盘B7运动至图3中虚线位置，读数头C8和读数头E10分别有εC和εE的读数误差。由图中几何关系可知：
[0034] θCread＝θ+εC(θ) (1)
[0035] θEread＝θ-εE(θ) (2)
[0036] 式中，θCread和θEread分别为读数头C8和读数头E10的读数，θ为主轴的绝对转角，εC(θ)和εE(θ)分别为码盘B7在X方向的运动引起的读数头C8和读数头E10的读数误差。
[0037] 由图3中几何关系可知εC(θ)和εE(θ)大小相等，所以两个读数头读数的平均值即为主轴绝对转角，即：
[0038]
[0039] 将公式(3)带入公式(1)可得读数头C8读取的角度误差为：
[0040]
[0041] 步骤1-6：码盘安装偏心计算：由图3中几何关系可知主轴转过θ角度后，码盘B7在X方向的运动量为：
[0042]
[0043] 式中，δX(θ)为码盘B7在X方向的运动量，r为读数头的安装半径。
[0044] 因主轴为顶尖定位，无径向运动，所以此时码盘B7在X方向的运动量δX(θ)即为码盘B7相对于主轴的安装偏心e在X方向的分量。
[0045] 同上分析原理，结合图3中几何关系，可知码盘B7的安装偏心e在Y方向的分量为：
[0046]
[0047] 式中，δY(θ)为码盘B7在Y方向的运动量，εD(θ)为码盘B7在Y向的运动引起的读数头D9的读数误差，θDread为读数头D9的读数。
[0048] 同上原理，结合图4中几何关系，可知码盘A5的安装偏心在X方向和Y方向的分量为：
[0049]
[0050]
[0051] 式中，δ’X(θ)和δ’Y(θ)分别为码盘A5在X方向和Y方向的运动量，εA(θ)为码盘A5在X方向的运动引起的读数头A4的读数误差，εB(θ)为码盘A5在Y方向的运动引起的读数头B5的读数误差，θAread和θBread分别为读数头A4和读数头B5的读数。
[0052] 将光栅安装偏心误差进行标定后，便可将主轴安装在转台壳体中，进行实时监测转台运动状态。下面结合图2进行详细说明。
[0053] 步骤2：转台回转误差测量，如图2所示：
[0054] 步骤2-1：将转台主轴连同标定好的码盘作为一个整体装入壳体中，其各部件相对位置关系与标定时一致。
[0055] 步骤2-2：转台回转角度测量：读数头C8与读数头E10对径安装，可消除转台径向运动及码盘偏心对回转角度的影响，利用公式(3)可求出转台绝对转角θ。
[0056] 步骤2-3：码盘径向运动误差测量：将主轴装入壳体中，主轴依靠轴承14固定，在回转时必然会伴有主轴的径向运动误差，同时由于码盘存在安装偏心，因此会导致读数头读取的角度存在误差。利用公式(5)、(6)、(7)、(8)依次计算出码盘B7和码盘A6在X方向和Y方向的径向运动误差。
[0057] 步骤2-4：转台径向运动误差测量：在步骤2-3中得到的码盘径向运动误差由码盘安装偏心与转台径向运动误差两部分组成，而安装偏心已在步骤1中进行标定，故将码盘的径向运动误差减去码盘安装偏心，便可得出主轴上A、B两点沿X方向和Y方向的径向运动误差。
[0058] 步骤2-5：转台偏摆角计算：根据步骤2-4得出的主轴在A、B两点沿X方向和Y方向的径向运动误差，便可以计算出主轴的在X方向和Y方向的偏摆角，以Y向为例，如图5所示：
[0059]
[0060] 式中：βY(θ)为转台转过θ角度后在Y方向的偏摆角，dAY(θ)为主轴上A点在Y方向的径向运动误差，dBY(θ)为主轴上B点在Y方向的径向运动误差，L为两码盘的中心距。
[0061] 上述为本发明的具体实施过程，与传统转台不同，本发明提出了一种带有双码盘的转台，根据与码盘配套安装的五个读数头的读数差，可以计算出转台的精确转角及转台在X、Y两个方向的径向运动与偏摆角误差。采用本发明中的方法，可以测量任何回转装置的径向运动与偏摆角误差，并可实现回转角度的高精度定位。采用本发明中的方法，亦可在读数头A4、B5、D9的对径位置安装相应读数头，达到同样或更好的测量效果。图示转台结构只是为了更加清晰的叙述本发明的方法，采用本发明的方法，转台不必拘泥于图示结构。
