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主轴回转精度测量方法

点击次数:54 发布时间:2020-09-04

摘 要: 首先介绍了各种机床主轴回转精度测量方法及其原理,包括单点法双点法三点法虚拟仪器法

CCD 法和轴向窜动误差的测量; 然后介绍了测量数据的处理和误差分析方法,指出各种测量方法的

特点,并总结了各种测量方法的一般性选择原则

关键词: 主轴回转精度 测量 数据处理 误差分析

 

产品制造精度的提高,对于机床加工精度的要求

越来越高机床主轴回转精度的检测是机床设计

调整和维修的重要环节,是提高机床加工精度的重

要措施机床主轴回转精度的测量及误差分析一直是

机床行业关注的热点国家标准 GB/T 20957. 4 - 2007

文件对主轴回转轴线给出了明确的定义1,在此不作详

主轴回转的运动误差主要有轴向窜动径向跳动和

角度摆动 3 种形式,分别对加工精度造成影响2

目前测试机床主轴回转精度的方法主要分为静态

测试法动态测试法和在线误差补偿检测法3 - 4

态测量法( 如打表法) 简单,但实际参考价值小,目前

已较少使用动态测试方法现已较为成熟,测量结果

实际参考价值高精确性好,广泛应用于现场检测

线误差补偿检测法将检测结果直接用于控制切削补偿

量,往往集成到机床内部作为系统闭环控制的反馈检

测环节使用,方法复杂

1 主轴回转精度的动态测试方法

在众多的动态测试方法中,国内外较普遍的是使

用电容或电感涡流传感器对安装在主轴上的标准球进

行单点或多点测量,近年来随着科学技术的发展也出

现了一些新的主轴回转精度测试方法: 基于虚拟仪器

的测试方法基于 CCD 系统的测试方法等,下面都将

一一介绍

11 单点法

( 1) 单向法

基于工件回转的主轴,只安装位于敏感方向上的

一个传感器,叫做单向法把比主轴回转精度至少高

一个数量等级的基准球或基准环安装在主轴上,然后

相对于基准球安装一个传感器,此两者之间的距离

 

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* 国家自然科学基金资助( 50675155)· 177 ·

的变化值转变为可以反映机床主轴回转精度的电信

号,然后进行去误差和消偏处理,得出测量值

( 2) 单点双向法

此方法在单点法基础上进行了改进,精度有所提

测量原理如图 1 所示

以主轴上位置 2( 图 1a) 为起始位置进行测量,得

出相应的误差信号为 T1 ( θ) ,可以表示为

T1 ( θ) = R( θ) + d( θ) + r( θ) ( 1)

式中: R( θ) 为测量基准的形状误差; d( θ) 为测量基准

的偏心误差; r( θ) 为主轴回转精度然后将测头转过

180°( 图 1b) ,以相同的位置 2 开始测量,得到相应的

误差信号 T2 ( θ) 为

T2 ( θ) = R( θ) + d( θ) - r( θ) ( 2)

将式( 1) 和( 2) 等号两边相减可得出只包含回转

误差 r( θ) 的信号,

r( θ) =T1 ( θ) T2 ( θ) ]/2,再进

行必要的频谱分析,消除干扰误差的影响,便能得到主

轴回转精度5

12 两点法( 双向法)

( 1) 正交两点法

对于刀具回转类主轴,加工误差敏感方向随着刀

具的旋转在各个轴向横截面的 360°上变化相对安

装在被测轴上的基准球,在两个相互垂直坐标方向上

安装 2 个固定不动的 X Y 传感器,此为正交双向

法,见图 2两个传感器把主轴回转误差转变为电信

号输入到各自的测量仪,产生两个信号 dxdy

 

( 3)

当偏心量 e 大于误差运动 r( θ) 数倍时,直接将放大后

dxdy输入电子示波器,使之形成以偏心量 e 为半

径的基准圆上叠加了误差运动 r( θ) 的圆图像e

小于或接近 r( θ) 时,为了不仅仅反映轴心运动的轨

迹,可以利用基圆发生器来提供基圆信号,基圆发生器

发出的与回转轴同步的正余弦信号分别与 dxdy

加后送入示波器以形成圆图像,进行误差分析6

( 2) 直线两点法

高精度测试时,加工出比主轴精度更高的基准球

或基准轴很困难,故可以采用两传感器直线布置如图

3 所示,这样可以利用误差分离技术进行测试,降低基

准轴的加工要求此方法可称为直线式两点法

两个特性非常接近的电容式位移传感器 S1S2

在圆周方向相隔 180°对称安装,主轴回转一圈采样 n

个点,所测信号包括被测件圆度误差信号 R( θ) 和主轴

回转误差信号 e( θ) 开始位置如图 3a 所示,传感器

分别测得第 O 点的信号 S1 ( θ0 ) 和 S2 ( θ0 ) 为

S1 ( θ0 ) = R( θ0 ) + e( θ0 ) ( 4)

S2 ( θ0 ) = R( θ0

π) e( θ0 ) ( 5)

对于高精度主轴( 若为滚动轴承支撑,忽略滚珠

等因素的影响) ,可认为主轴上同一点的径向回转误

差运动在同一方位大小不变,故主轴转过 180°如图 3b

时 ,两传感器测得的第( n / 2 ) 点的信号S1 ( θn/2 ) 和

S2 ( θn/2 ) 分别为

S1 ( θn/2 ) = R( θ0

π) + e( θ0 ) ( 6)

S2 ( θn/2 ) = R( θ0 ) - e( θ0 ) ( 7)

将式( 4) 和( 7) 线性迭加,即可得到主轴第 O 点的回转

误差信号 e( θ0 ) 和被测件的圆轮廓信号 R( θ0 ) :

e( θ0 ) = S1 ( θ0 ) - S2 ( θn/2) ]/2

( 8)

R( θ0 ) = S1 ( θ0 ) + S2 ( θn/2) ]/2

( 9)

依照式( 8) 和( 9) 类推,可测得被测件上各点的误差

7

( 3) 任意角度法

此方法摒弃了基准球和基准环,其中一个传感器

安装在实际加工时的敏感方向上,另一个传感器以任

Φ 角度安装,传感器交点位于瞬时回转中心平均位· 178 ·

置上,然后进行信号与数据的处理,得出测量结果8

13 圆弧极板型差动式电容传感器法

该方法是一种主轴回转精度实时测量方法,其工

作原理如图 4 所示,该方法具有差动式配置,又在主轴

上如图中 A A'B B'所示两截面处配置了相同的

对置式电容传感器以检测位移,电容的极板为圆弧状,

中心角为 π/3 = 120°研究人员已经证实主轴轴线延

线上任意截面 C 处的径向回转误差运动 r( θ

z) 只取

决于各传感器所在的两截面上的主轴回转误差运动 r

( θ) 和 rB ( θ) 的下列加权和差演算:

 

14 三点法

3 个位移传感器( 其延长线交于主轴轴心线一

点) 布置在主轴周围,传感器之间的夹角为 Φ τ,对

3 个传感器的输出信号进行变换处理从而得出主轴的

回转误差此方法无需基准球,没有基准球的形状和

偏心误差,测量精度较高但是传感器数量较多,所需

机械装置的加工精度高,装夹调试数据处理不是很方

便10

15 基于虚拟仪器的测试方法

该方法特点在软件部分,可使用  等编写

程序,分为 3 大模块: 数据采集; 数据处理; 结果显示及

评定,每个模块又由一些小的部分组成11使用虚拟

仪器技术编写的应用程序是基于分层设计的理念

块化的方法开发出来的,更换和测试都非常方便,免去

了在测试不同转速的机床回转误差时需要不断更换滤

波器的类型和参数才能找到最合适的滤波器虚拟仪

器可以很方便地设计出数字滤波器对偏心进行分离,

以达到良好的测试效果硬件部分如传感器等与以上

方法类似,不同之处在于配置有插入式 PCI 数据采集

卡( ) 的计算机,用于快速高效完成数据采集

样和转换及后期处理 软件图形化的编程

语言使得即使不熟悉编程的工程技术人员仍能很快地

连接出所需功用的程序,既可以进行数据的处理也能

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