高速氣浮電主軸校準規(guī)范

PAGE10高速氣浮電主軸校準規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于轉(zhuǎn)速大于5000r/min、采用氣浮軸承支撐轉(zhuǎn)軸的高速氣浮電主軸的校準。2引用文件JJF1094-2002測量儀器特性評定JJF1130-2003幾何量測量設(shè)備校準中的不確定度評定指南JJF1156-2006振動沖擊轉(zhuǎn)速計量術(shù)語及定義凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修訂單）適用于本規(guī)范。3概述高速氣浮電主軸是采用氣體軸承支承，結(jié)構(gòu)上將電動機與機床主軸融為一體的內(nèi)裝式主軸單元。按主軸轉(zhuǎn)動方向可分為臥式電主軸和立式電主軸，典型結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。高速氣浮電主軸主要用于半導體制造設(shè)備和超精密加工設(shè)備。1-氣浮軸套，2-節(jié)流器，3-電機，4-聯(lián)軸器，5-電主軸，6-基座圖1臥式高速氣浮電主軸示意圖1-氣浮軸套，2-節(jié)流器，3-電主軸，4-聯(lián)軸器，5-電機，6-基座圖2立式高速氣浮電主軸示意圖4計量特性4.1高速氣浮電主軸的徑向承載力高速氣浮電主軸的徑向承載力應不低于200N。4.2高速氣浮電主軸的軸向承載力高速氣浮電主軸的軸向承載力應不低于200N。4.3高速氣浮電主軸的徑向跳動高速氣浮電主軸的徑向跳動應不大于0.08μm。4.4高速氣浮電主軸的軸向跳動高速氣浮電主軸的軸向跳動應不大于0.08μm。5校準條件5.1環(huán)境條件校準所需條件如下：a）室內(nèi)溫度：20℃±1℃，溫度變化不超過0.5℃/h；b）室內(nèi)濕度：30%RH～65%RH；c）恒溫時間：校準前被檢高速氣浮電主軸與標準器具在檢驗室內(nèi)恒溫時間不小于12h；d）氣源壓力：0.3MPa~0.6MPa；e）電源輸入為220V、50Hz的交流電，電壓波動應不超過±10%；f）冷卻水壓力一般在0.2MPa～0.5MPa之間，室內(nèi)氣壓為1個標準大氣壓。5.2校準項目及其他設(shè)備校準項目、使用的標準器具見表1。表1校準項目、使用的標準及其他設(shè)備序號校準項目使用的標準器具1徑向承載力E2等級砝碼2軸向承載力E2等級砝碼3徑向跳動分辨力優(yōu)于2nm的電感傳感器、圓度優(yōu)于20nm的標準玻璃半球4軸向跳動分辨力優(yōu)于2nm的電感傳感器、1級平面平晶6校準項目和校準方法首先檢查被檢高速氣浮電主軸外觀和各部分相互作用，確定沒有影響計量特性因素后再進行校準。6.1徑向承載力目力觀察，電主軸正常工作后，通過E2等級砝碼對軸系施加徑向力，根據(jù)不同規(guī)格電主軸，一般徑向力不小于200N。校準時，將電主軸水平放置，將砝碼固定安裝在電主軸前端中心位置，觀察電主軸是否能正?；剞D(zhuǎn)、主軸與氣浮軸套在半徑方向是否有干涉現(xiàn)象、電主軸轉(zhuǎn)動時是否有異響獲抖動現(xiàn)象，當上述現(xiàn)象產(chǎn)生時，讀出E2等級砝碼質(zhì)量值m，并按公式（1）計算徑向承載力Fj：（1）式中：Fj——徑向承載力，N；m——砝碼的質(zhì)量值，kg；g——試驗地區(qū)的重力加速度值，m/s2。軸向承載力目力觀察，電主軸正常工作后，通過E2等級砝碼對軸系施加軸向力，根據(jù)不同規(guī)格電主軸，一般軸向力不小于200N。校準時，將電主軸豎直放置，將砝碼固定安裝在電主軸前端中心位置，觀察電主軸是否能正常回轉(zhuǎn)、主軸與氣浮軸套沿軸向是否有干涉現(xiàn)象、電主軸轉(zhuǎn)動時是否有異響獲抖動現(xiàn)象，當上述現(xiàn)象產(chǎn)生時，讀出E2等級砝碼質(zhì)量值m，并按公式（2）計算軸向承載力Fz：（2）式中：Fz——軸向承載力，N；m——砝碼的質(zhì)量值，kg；g——試驗地區(qū)的重力加速度值，m/s2。6.3徑向跳動采用電感傳感器、標準玻璃半球?qū)Ω咚贇飧‰娭鬏S徑向跳動進行測量，參見圖3，校準儀器包括分辨力優(yōu)于2nm的電感傳感器、圓度優(yōu)于20nm的標準玻璃半球。將標準玻璃半球安裝在被測軸上，利用最小二乘法對電感傳感器測量數(shù)據(jù)擬合獲得標準半球回轉(zhuǎn)中心，調(diào)整標準半球位置，使半球球心與電主軸同軸度小于0.1μm，傳感器測頭位于靠近玻璃半球直徑處的環(huán)帶上，轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，電感傳感器等間隔測量，主軸旋轉(zhuǎn)一周，傳感器測量點數(shù)大于等于1024，對測量值進行濾波、消偏心及最小二乘圓度評定。評定得到的圓度值即為軸系徑向跳動。將測量數(shù)據(jù)z（n）進行高斯濾波計算，測量點對應離散化后的高斯濾波器權(quán)函數(shù)：（3）n——諧波波數(shù)；Nc——截止波長，取決于傳感器測頭直徑與被測件直徑的比值；；對測量點進行傅里葉變換：（4）對離散化的高斯濾波器權(quán)函數(shù)進行傅里葉變換（5）將上述公式進行乘積運算（6）將公式（6）進行傅里葉逆運算，得到最終高斯濾波器輸出序列（7）r0是工件的最小二乘半徑，ri是濾波后的數(shù)據(jù)，θi是對測量回轉(zhuǎn)中心的測量角，a是x方向的偏心，b是y方向的偏心。最小二乘法評定：（8）消偏心后的測量數(shù)據(jù)為ri’，則（9）由于一次測量獲得的一組測量數(shù)據(jù)大于等于1024，將測量數(shù)據(jù)中最大值記為max{ri’}，最小值記為min{ri’}，則此時的圓度值為max{ri’}-min{ri’}。將上述測量過程重復3次，以3次測量圓度值的平均值作為電主軸的徑向跳動。圖3徑向跳動測量示意圖6.4軸向跳動采用分辨力優(yōu)于2nm的電感傳感器、1級平面平晶對高速氣浮電主軸軸向跳動進行測量，參見圖4。平面平晶安裝在被測軸上，將電桿傳感器測頭調(diào)整到軸線上，電主軸勻速旋轉(zhuǎn)，電感傳感器等間隔測量，20s內(nèi)測量數(shù)據(jù)點數(shù)大于等于100，得到測量數(shù)據(jù)為di。將測量數(shù)據(jù)中最大值記為max{di}，最小值記為min{di}，則此時的跳動值為max{di}-min{di}。將上述測量過程重復3次，以3次測量跳動值的平均值作為電主軸的軸向跳動。圖4軸向跳動測量示意圖7校準結(jié)果表達經(jīng)過校準的高速氣浮電主軸出具校準證書。校準證書內(nèi)容見附錄A。8復校時間間隔高速氣浮電主軸的復校時間間隔，根據(jù)實際使用情況自行確定，建議一般不超過1年。附錄A高速氣浮電主軸校準記錄表式樣記錄編號：第頁共頁一、基本信息委托單位記錄編號設(shè)備名稱型號/規(guī)格校準日期制造廠XX市昊志機電股份有限公司出廠編號標準器名稱型號/規(guī)格證書編號有效期至校準依據(jù)環(huán)境溫度：校準地點環(huán)境濕度：二、校準數(shù)據(jù)1.徑向承載力施加砝碼值（kg）重力加速度（m/s2）徑向承載力（N）2.軸向承載力施加砝碼值（kg）重力加速度（m/s2）軸向承載力（N）3.徑向跳動測量組數(shù)最大值（μm）最小值（μm）圓度值（μm）第組第組第組第組第組第組第組第組第組第組平均值（μm）測量不確定度：U=μm，k=24.軸向跳動測量組數(shù)最大值（μm）最小值（μm）跳動值（μm）第組第組第組第組第組第組第組第組第組第組平均值（μm）測量不確定度：U=μm，k=2備注：校準員：核驗員：校準日期：年月日附錄B高速氣浮電主軸校準證書信息及內(nèi)頁式樣B.1校準證書信息校準證書應至少包含以下信息：a）標題：校準證書；b）實驗室名稱和地址；c）進行校準的地點（如果不在實驗室內(nèi)進行校準）；d）證書或報告的唯一標識（如編號）、每頁及總頁數(shù)的標識；e）送校單位的名稱和地址；f）被校對象的描述和明確標識；g）進行校準的日期，如果與校準結(jié)果的有效性和應用有關(guān)，應說明被校對象的接收日期；h）如果與校準結(jié)果的有效性和應用有關(guān)時，應對抽樣程序進行說明；i）對校準所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標識，包括名稱及代碼；j）本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明；k）校準環(huán)境的描述；l）校準結(jié)果及測量不確定度的說明；m）校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名或等效標識，以及簽發(fā)日期；n）校準人和核驗人的簽名；o）校準結(jié)果僅對被校對象有效的聲明；p）未經(jīng)校準實驗室書面批準，不得部分復制證書的聲明。

B.2推薦的校準結(jié)果內(nèi)頁式樣表B.1高速氣浮電主軸校準結(jié)果序號校準項目校準結(jié)果1徑向承載力（N）2軸向承載力（N）3徑向跳動（μm）U=μm，k=24軸向跳動（μm）U=μm，k=2備注 PAGE14附錄C高速氣浮電主軸徑向跳動、軸向跳動校準結(jié)果的不確定度評定C.1校準任務(wù)校準高速氣浮電主軸徑向跳動、軸向跳動。C.2徑向跳動校準方法采用電感傳感器、標準玻璃半球?qū)Ω咚贇飧‰娭鬏S徑向跳動進行測量，參見圖3，校準儀器包括分辨力2nm的電感傳感器、圓度20nm的標準玻璃半球。將標準玻璃半球安裝在被測軸上，調(diào)整標準半球位置，使半球球心與電主軸同軸度小于0.1μm，傳感器測頭位于靠近玻璃半球直徑處的環(huán)帶上，轉(zhuǎn)臺勻速旋轉(zhuǎn)，電感傳感器等間隔測量，主軸旋轉(zhuǎn)一周，傳感器測量點數(shù)大于等于1024，對測量值進行濾波、消偏心及最小二乘圓度評定。將上述測量過程重復3次，以3次測量圓度值的平均值作為電主軸的徑向跳動。C.2.1數(shù)學模型將測量數(shù)據(jù)z（n）進行高斯濾波計算，測量點對應離散化后的高斯濾波器權(quán)函數(shù)：（1）n——諧波波數(shù)；Nc——截止波長，取決于傳感器測頭直徑與被測件直徑的比值；；對測量點進行傅里葉變換：（2）對離散化的高斯濾波器權(quán)函數(shù)進行傅里葉變換（3）將上述公式進行乘積運算（4）將公式（4）進行傅里葉逆運算，得到最終高斯濾波器輸出序列（5）r0是工件的最小二乘半徑，ri是濾波后的數(shù)據(jù)，θi是對測量回轉(zhuǎn)中心的測量角，a是x方向的偏心，b是y方向的偏心。最小二乘方法評定：（6）消偏心后的測量數(shù)據(jù)為ri’，則（7）由于一次測量獲得的測量數(shù)據(jù)大于等于1024，將測量數(shù)據(jù)中最大值記為max{ri’}，最小值記為min{ri’}，則徑向跳動為：Δr=max{ri’}-min{ri’}；（8）C.2.2徑向跳動標準不確定度分量評定徑向跳動測量不確定度來源及說明見表1。表1徑向跳動測量不確定度來源及說明序號不確定度來源說明1標準（半）球標準（半）球的圓度誤差2測量系統(tǒng)分辨力測量系統(tǒng)分辨力為2nm3測量重復性短時間連續(xù)多次測量4溫度實驗室溫度對20C有偏離，同時存在溫度波動5安裝誤差標準（半）球與被校準高速氣浮電主軸無法完全XXC.2.2.1標準不確定度評估C.2.2.1.1標準（半）球引入的標準不確定度分量u1：標準（半）球自身的圓度誤差為0.020m，半?yún)^(qū)間為0.010m，符合均勻分布，k=，則：u11=0.0010/=0.00058m經(jīng)過多步法誤差分離技術(shù)測量的標準（半）球的擴展不確定度為0.00058m，k=2，則由此引入的標準不確定度為：u12=0.00058/2=0.00029m=0.00065mC.2.2.1.2由測量系統(tǒng)分辨力引入的標準不確定度分量u2：儀器分辨力為0.002m，區(qū)間半寬度為0.001m，符合均勻分布，，則由儀器分辨力引入的標準不確定度分量為：u2=0.001/=0.0006mC.2.2.1.3由測量重復性引入的標準不確定度分量u3：在各種條件均不改變的情況下，用標稱值為20nm的標準（半）球進行高速氣浮電主軸徑向跳動測量重復性試驗，共測量10組（即n=10）。圓度值測量數(shù)據(jù)為（單位：m）：0.051，0.052，0.051，0.051，0.050，0.051，0.053，0.052，0.051，0.052。由貝塞爾公式計算得到sn（x）=0.00084m，則：u3=0.00084/=0.00048m由儀器分辨力引入的不確定度分量u2大于測量重復性引入的標準不確定度分量u3，因此計算合成不確定度時，帶入u2的數(shù)值。C.2.2.1.4由溫度變化引入的標準不確定度分量u4：溫度的變化會影響高速氣浮電主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差的測量結(jié)果，在測量前，標準（半）球已經(jīng)放置在測量室內(nèi)充分恒溫，避免溫度變化引起球體變形，形狀測量中，溫度在時間梯度上的變化不會對測量產(chǎn)生影響，但在空間梯度上的變化則會使被測標準（半）球形狀發(fā)生改變。測量尺寸為50mm的標準半球，玻璃的膨脹系數(shù)取4.810-6，當溫度變化0.1C時，標準半球產(chǎn)生的形狀變形為l=4.810-60.10.05=0.024m。溫度效應按三角分布處理，在95%的置信概率下k=1.90，則由此引入的標準不確定度為：u4=0.024/1.90=0.012μmC.2.2.1.5安裝誤差引入的標準不確定度分量u5：安裝時，需要調(diào)整標準（半）球與高速氣浮電主軸的回轉(zhuǎn)軸線XX，但是是難以調(diào)整到完全一致的，在數(shù)據(jù)處理的過程中，由于安裝誤差不能完全重合帶來的偏心影響可以通過數(shù)據(jù)處理修正掉，殘留誤差影響估計在0.005m以內(nèi)，符合均勻分布，k=，則：u5=0.005/=0.003μmC.2.2.2合成標準不確定度由于參與計算的各項標準不確定度分量之間沒有值得考慮的相關(guān)性，則合成標準不確定度為：C.2.2.3擴展不確定度計算：包含因子k=2，則擴展標準不確定度U=kuc=2×0.012=0.024μmC.3軸向跳動校準方法采用分辨力2nm的電感傳感器、1級平面平晶對高速氣浮電主軸軸向跳動進行測量，參見圖4。平面平晶安裝在被測軸上，將電桿傳感器測頭調(diào)整到軸線上，電主軸勻速旋轉(zhuǎn)，電感傳感器等間隔測量，20s內(nèi)測量數(shù)據(jù)點數(shù)大于等于100，得到測量數(shù)據(jù)為di。將測量數(shù)據(jù)中最大值記為max{di}，最小值記為min{di}，則此時的跳動值為max{di}-min{di}。C.3.1數(shù)學模型將測量數(shù)據(jù)點記為di，將一次測量數(shù)據(jù)中最大值記為max{di}，最小值記為min{di}，則軸向跳動為：Δd=max{di}-min{di}；（9）C.3.2軸向跳動標準不確定度分量評定軸向跳動測量不確定度來源及說明見表2。表2軸向跳動測量不確定度來源及說明序號不確定度來源說明1一級平晶一級平晶的平面度誤差2測量系統(tǒng)分辨力測量系統(tǒng)分辨力為2nm3測量重復性短時間連續(xù)多次測量4溫度實驗室溫度對20C有偏離，同時存在溫度波動C.3.2.1標準不確定度評估C.3.2.1.1一級平晶引入的標準不確定度分量u1：一級平晶自身的平面度誤差為0.030m，區(qū)間半寬度為0.015m，符合均勻分布，k=，則：u11=0.0015/=0.0087m經(jīng)過多步法誤差分離技術(shù)測量的一級平晶的擴展不確定度為0.0087m，k=2，則由此引入的標準不確定度為：u12=0.0087/2=0.0043m=0.0097mC.3.2.1.2由測量系統(tǒng)分辨力引入的標準不確定度分量u2：儀器分辨力為0.002m，區(qū)間半寬度為0.001m，符合均勻分