主轴回转精度测量方法
时间:2020-09-04 阅读:3453
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、制
造、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
述。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]。静
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。在
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。
1. 1 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
高。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]。
1. 2 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 与 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 dx和 dy为
( 3)
当偏心量 e 大于误差运动 r( θ) 数倍时,直接将放大后
的 dx和 dy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。当 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 dx和 dy相
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 S1和 S2
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
值[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
意 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]。
1. 3 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'和 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:
1. 4 三点法
用 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 和 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]。
1. 5 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、模
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、取
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