如何检测机床主轴回转的精度

　　【编者按】由于机床回转误差可能会造成主轴传动系统的几何误差、传动轴偏心、惯性力变形、热变形等误差，也包括许多随机误差，所有机床主轴回转精度的检测，便成了评价机床动态性能的一项重要指标。通过径向跳动量和轴向窜动量测试实验可以有效的满足对回转精度测量的要求。

　　检测机床主轴回转精度的方法有打表测量、单向测量、双向测量等几种。

　　一、机床主轴回转精度测量的理论与方法
 
　　机床主轴回转精度是衡量机械系统性能的重要指标，是影响机床工作精度的主要因素。机床主轴回转误差的测量技术对精密机械设备的发展有着重要作用。机床主轴的回转误差包括径向误差和轴向误差。轴向回转误差的测量相对比较简单，只需在机床主轴端面安装微位移传感器，进行一维位移量的测量即可。因此机床主轴回转误差测量技术的研究焦点一直集中在径向误差的精确测量上。（参阅数控机床主轴轴承的温度控制与其工作原理阐述 ）
 
　　1）打表测量方法
  
　　早期机床主轴回转精度不太高时，测量机床主轴误差的常用方法是将精密芯棒插入机床主轴锥孔，通过在芯棒的表面及端面放置千分表来进行测量。这种测量方法简单易行，但却会引入锥孔的偏心误差，不能把性质不同的误差区分开，而且不能反映主轴在工作转速下的回转误差，更不能应用于高速、高精度的主轴回转精度测量。除此之外也有采用测量试件来评定主轴的回转误差。
 
　　2）单向测量方法
 
　　单向测量法又称为单传感器测量法。由传感器拾得“敏感方向”的误差信号，经测微仪放大、处理后，送入记录仪，以待进一步数据处理。然后以主轴回转角作为自变量，将采集的位移量按主轴回转角度展开叠加到基圆上，形成圆图像。误差运动的敏感方向是通过加工或测试的瞬时接触点并平行于工件理想加工的表面的法线方向，非敏感方向在垂直于第三方向的直线上。单向测量法测量的主轴回转误差运动实质上只是一维主轴回转误差运动在敏感方向的分量。因此单向测量法只适用于具有敏感方向的主轴回转精度的测量，例如工件回转型机床。车床就是工件回转型机床的一个典型代表。这种测量方法同样不可避免地会混入主轴或者标准球的形状误差，在机床主轴回转精度不太高、混入的形状误差可以忽略时，用单向测量法得到的车床主轴回转精度圆图像的外缘轮廓与工件的外缘很相似，所以这样得到的圆图像能很好地用来评价车床主轴的加工精度及加工质量。
  
　　3）双向测量方法
 
　　主轴的回转误差运动是一个二维平面运动，需要至少两个传感器在机床主轴横截面内相互垂直的两个方面同时采集数据，再将两组位移数据合成才能复现主轴的实际回转误差轨迹。故称为双向测量法，又称为双传感器测量法。传统的双向测量法忽略了机床主轴或者标准球的形状误差，而且还混入偏心误差，从而影响测量结果的精确性。
　　
　　二、回转误差运动分析
 
　　1）回转误差产生的原因
 
　　机床主轴回转误差产生的原因是多种多样的，各种原因对机床主轴运动的影响也不尽相同。机床主轴回转误差产生的原因，一方面有机床主轴传动系统的几何误差、转动轴系质量偏心产生的误差、所受惯性力变形产生的误差、设备热变形产生的误差等确定性误差。如机床主轴轴系中的轴套、机床主轴轴颈及滚动体的形状误差，特别是滚动件有尺寸误差时，机床主轴将产生有规律的位移。在一定时间内，机床主轴轴心位移量和位移方向不断变化，这种变化一般不是简单的正余弦周期信号，习惯上称为“漂移”。另一方面，机床主轴回转误差产生的原因还有许多随机误差，如工艺系统的振颤对机床主轴回转的影响等。
 
　　2）回转误差运动组成部分
 
　　从概率和数理统计的角度分析，可将机床主轴回转误差分为系统性（确定性）误差和随机性误差两大类，回转误差表示δ 为
δ=δsys+δrand
式中，δ 为系统回转误差；δrand 为随机回转误差。
 
　　回转误差的测量和分析参阅了有关资料。本文中采用的测量方法是利用两个传感器对CA6140 普通车床机床主轴进行回转精度的测量，其中测试轴的九个圆柱面在TAYLOR HORSON 73 型高精度圆度仪上测得的圆度误差均在1μm 以下。大量的结果显示：机床主轴回转精度中以周期性成分为主，并且主要是以1～4 阶的低阶谐波为主；随机误差成分也占有一定的比重，对于高精度测量不能忽视。以非简单正弦信号的周期性成分为主，同时含有相当比重的随机误差成分以及噪声的复合信号称为准周期信号。广义的准周期信号包括：周期长度无规律变化的信号；周期固定而幅值无规律变化的信号；没有确定重复模式(周期或幅值等)的信号。由以上分析可知，机床主轴回转误差信号是由叠加了白噪声的多个准周期信号组合而成的。
 
     3 ）数据采集和处理
 
　　机床主轴回转精度动态检测是根据国家地方共建实验室项目所自行设计的测试实验系统。实验主要完成两个测试项目：
 
　　1.径向跳动量测试实验。
 
　　采用双向测量方法，在相互垂直的x 和y 两个方向上分别输出跳动值，机床主轴径向误差可以近似看成是周期运动，每转一圈运动误差呈现一个周期，用周期函数表示其机床主轴回转运动误差。通过检测得到评定误差曲线图和实时数据曲线，通过仿真软件绘制适当的运动误差圆图像，然后采用最小二乘圆法来评定回转运动误差。
 
　　2.轴向窜动量测试实验。
 
　　 在机床主轴端部旋转一个位移传感器，测出轴端与传感器之间的间隙变动量，用径向跳动量相同的测量方法，输出窜动值，以极坐标的形式显示出来，通过仿真软件绘制适当的运动误差圆图像，调试后得到轴向窜动实时数据曲线图。使用数理统计误差分离技术进行机床主轴回转误差的测量，可用传感器直接对机床主轴的外圆采集数据。一个方向使用一个微位移传感器，对于二维的机床主轴回转误差运动，需使用垂直布置的两个微位移传感器同时对机床主轴外圆轮廓采集数据，数理统计误差分离技术进行机床主轴回转误差的测量分为两个阶段，第一阶段通过数理统计法采集数据中的机床主轴回转误差成分，得到精确的圆度误差数据，其具体步骤如下：机床主轴旋转时，n 个采样标记点顺次通过两个传感器，两个传感器依次记录下n 个点的位移数据，连续m 转，为了保证机床主轴回转满足统计规律，m 必须足够大。m越大，误差分离越精确，同时采集时间越长。为了避免引入温升漂移误差、供气压力变化和其它环境随机误差等，实际上m 并非越大越好，需要根据测量及所达到的测量精度适当选取。为了更好的误差分离避开机床主轴形状误差与机床主轴回转误差，严格同频叠加情况，从而影响测量结果，可以在机床主轴的上升或下降时间里进行数据采集。有了这个精确的机床主轴形状误差数据后，即可进行第二阶段的测量。两个传感器实时采得的数据减去对应位置的机床主轴形状误差数据即得主轴的回转误差数据。然后采用适当的误差评定计算方法对误差数据处理得到对应的误差精度数值。
 
　　三、控制系统仿真与分析
 
　　仿真分析是一种低成本、高效、高安全性的科学研究方法。仿真分析可以节约硬件投资、节省时间，并可以尽早发现问题，而且可以使研究人员免除实际实验中各种各样琐碎事情的干扰，集中精力解决核心理论问题。仿真分析还可以方便地设置仿真条件为任何期望值，使研究人员能深入、透彻地分析问题，多角度多条件地验证理论。对于一些难度大、时间长、成本高的实验，仿真分析方法更有其不可替代的地位。这些都是实际实验远所不能及的。
 
　　为了对数理统计法误差分离技术的有效性进行仿真验证，对其分离精度进行仿真评定，并把误差值用极坐标的形式表示出来，机床主轴回转误差仿真系统通过误差分离技术计算轴回转误差得到主轴回转误差数据、偏心运动数据和圆度误差数据后，将这三组数据分别与仿真输入的原始机床主轴回转误差数据、偏心运动数据和圆度误差数据进行比较，以此评价误差分离技术的分离效果。

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