液體靜壓主軸（zhóu）回轉精度測（cè）試方法的（de）研究
2017-3-29 來源：空軍勤務學院航空四站係 作者：浮燕，李想，王輝
摘要（yào）：在分析現有（yǒu）主軸（zhóu）回轉精（jīng）度測試方法的基礎上，研究（jiū）了（le）一種兩點法主軸回轉精度（dù）測試方法。該方法首先在主軸空（kōng）載條件下，采用“標準球法”測得主軸回轉誤（wù）差，采用“垂直布置兩點法”在（zài）主軸軸頸上定點采樣，從采樣數據中減去對應位置的主軸回轉誤差，得出主軸圓度誤差；然後在主軸加工條件（jiàn）下，利用第一步中的“垂直布置兩點法”在（zài）主軸上定點采樣，從實時（shí）采樣數據中（zhōng）減去第一步（bù）測得的主軸圓度誤差，最終得出主軸加工條（tiáo）件下的動態回轉誤差。結果表明：提出的兩（liǎng）點法主軸（zhóu）回轉精度測試方法是有效可行的。
關鍵詞：主軸；回轉（zhuǎn）精度；二點法；誤（wù）差分（fèn）離
0.前言
回轉（zhuǎn）精度是衡（héng）量超精（jīng）密機床主軸的關鍵（jiàn）技術指標，是影響機（jī）床加工誤差的重要因素。文中以高速精密機床（chuáng）廣泛采用的液體懸浮式主軸為研究對象，測試其在加工條件下的回轉精度。主軸空載條件下，流體懸浮電主軸誤差（chà）運動的（de）重複性很好，以同步誤差為主，異步誤差（chà）近似為正態分布噪聲，可采用多個采樣值平均的方法減小和消除，利用誤差分離技（jì）術即可測得主軸回轉精度。主軸加工條（tiáo）件下，機床主（zhǔ）軸回（huí）轉誤差運動受供油壓力、脈動轉矩等動力學因素及環境噪聲等隨機因素的影響，往往表現出較強的（de）非（fēi）周期性、非平穩特性，傳統的主軸回轉誤差測（cè）試技術（shù）不再適用，需要尋找更合（hé）適的數據處理和分析方法。
1.主軸回轉軸線和回轉誤差的定義
要實現對（duì）主軸回轉精度的測試，首先要明確主軸回轉軸線和回轉誤差的定義。根據“cIRP統一文件”規定，主軸（zhóu）回轉軸（zhóu）線是指主軸繞其轉動的直線，該直線與主軸固定連接，並與主軸一同相對於另一條稱為軸線平均（jun1）線的直線做軸向、徑向和角度運動，軸線平均線是固定不動的，它（tā）處於回轉軸線的平（píng）均位置上‘¨。主軸實際回轉軸線相對於其理想（xiǎng）回轉軸線的位置變動，被定義為主軸（zhóu）回轉誤差，其基本運動形式如圖1所示。
圖1 主軸回轉誤差運動示（shì）意圖
2.現有主軸回轉精度測（cè）試方法
2．1傳統測試方法
2．1．1單點法
單點法使用一個傳感器在被測截麵的（de）一個（gè）方（fāng）向上獲取數（shù）據，在理想測試條件下，其（qí）測量結果是（shì）主軸回轉（zhuǎn）誤（wù）差（chà）在傳感器軸線方向上的分量與（yǔ）被測截麵形狀誤差的（de）疊加。
2．1．2垂直布置式兩點法（fǎ）
垂直布置式兩點法使用兩個（gè）垂直布置的傳感器在被測截麵的兩個方向獲取數（shù）據，通過合成（chéng）兩組數據，在平麵內刻畫主軸軸心軌跡。該方（fāng）法不能實現誤差分離，多在被測截麵形狀誤差遠小於主軸回轉（zhuǎn）誤差測試條件下使（shǐ）用。
此外，伍（wǔ）良生教授等口1開發了一種數理（lǐ）統計法誤差分離技（jì）術，該方（fāng）法同樣采用兩個垂（chuí）直（zhí）布置（zhì）的傳感器（qì）進行測量，結合了（le）高速高精度主軸的特點及主軸軸心運動的統計規律特性，運（yùn）用（yòng）數學統計理論（lùn）實現誤差分離。
2．1．3反向法（fǎ）
反向法是Donald8叫（jiào）【31在（zài）1972年首先提出的，它使用一個傳感器在被測截麵的（de）兩個（gè）相反（fǎn）方向上獲取數據，其工作原理如圖2所示。
圖2反向法原理圖
首先使用一個傳感器對（duì）安裝在主軸上的標準（zhǔn）球進行第一次測量，得到反向前（qián）讀數值s。(p)，然後軸係（xì）不動（dòng），標準球和（hé）傳感器（qì）各自相對於軸係轉動1800，再進行第二次測（cè）量，得到反向後讀數值S：(p)。其中|s。(p)和S：(口)均包含被測截麵形狀誤差和主軸回轉誤差，並有如下（xià）關係：
在理想測試條件下（xià），反向法（fǎ）能夠（gòu）實（shí）現誤差（chà）分離，得出主軸回轉誤（wù）差在傳感器軸線方向上的分量，但其對傳感器及標準球的（de）轉位精度要求較高。
2．1．4對稱布置式兩點法
對稱（chēng）布置式兩點法㈨使用兩個（gè）對稱布置的傳感器在被測截麵的兩個相反（fǎn）方向上獲取數據，其工作原理如圖3所示。
圖3對稱布置式兩點法原理圖
由上述（shù）原理類推，可求出第l，2，⋯，n一1點的結果（guǒ）。對稱布置式（shì）兩點法多（duō）在主軸回轉誤差以偶數（shù）次（cì）諧（xié）波（bō）成分為主測試條（tiáo）件下（xià）使用，在理想測試條件（jiàn）下，其測（cè）量結果是（shì）主（zhǔ）軸回轉誤差在傳感器軸線方（fāng）向上（shàng）的分量。
2．1．5傳統三點法圓度誤差分離方法
1966年日本學者青木保雄等”1提出三點法（fǎ）圓度誤差（chà）分離技術（shù）。其工作原理（lǐ）如圖4所示（shì）。
圖4 傳統三（sān）點法原理圖
為主軸回轉中心，D為3個傳感器A、B、c軸線的交點，且。處於o’的平（píng）均位置上，a、JB為傳感器安裝角（jiǎo），．s(p)為被（bèi）測截麵形狀誤差（chà），R(口)、日(一)分別為主軸回轉誤差在（zài）菇軸和y軸上（shàng）的分量。3個傳感器（qì）同時（shí）采樣。主軸轉動一周，傳感器（qì）在被測截麵上均角采樣Ⅳ點，獲得的（de）測量信號分別為A(p)、B(p)和c(口)，其輸出為：
傳（chuán）統三點法能夠實（shí）現誤差分離，測試快捷，滿足實時在線測量要求，但存（cún）在（zài）原理誤差，對傳感器的安裝定位精（jīng）度要求較高。萬德安、劉（liú）海江哺1在傳統三點（diǎn）法的（de）基礎上通過重新（xīn）布置3個傳感器（qì）的安裝角直（zhí）接獲得主軸回轉誤差的各次諧波分量j洪邁生、鄧（dèng）宗煌等門1提出了精確的時域三點（diǎn）法圓度（dù）誤差分（fèn）離方（fāng）法，該方法（fǎ）基於誤差分（fèn）離技術的原則，僅需在時域上直接對（duì）實（shí）測數據按簡便代（dài）數式進行遞推即可進行分離運算，因而更（gèng）為方便，實（shí）時性也更強，但是，初值問（wèn）題會影響時域三點法的分離精度（dù）。
3.兩點（diǎn）法主軸回轉精度測試方法
以高速精密機床廣泛采用的（de）液體懸浮式主軸為研究對象（xiàng），測試其加工條（tiáo）件（jiàn）下的主軸回（huí）轉精度（dù）。非加工條件下，流體懸浮主（zhǔ）軸回轉誤差運動的重複（fù）性很好，以（yǐ）同步誤差為主（zhǔ），異步誤差近似為（wéi）正態分布噪聲。加工條件下（xià），流體懸浮主軸回轉誤差運動受供（gòng）油壓力、脈動轉矩等動力學因素及環境噪聲（shēng）等隨機因素的影（yǐng）響，往往表現出較強的非周期性、非平穩特性¨1，傳統的主軸回轉精度測（cè）試方法不再（zài）適用。文（wén）中提（tí）出一種（zhǒng）簡便、準確的兩點（diǎn）法（fǎ）主軸回（huí）轉精度（dù）測試方法（fǎ），有效地解決了這一問題（tí）。
第一步，在主軸（zhóu）空載條件下，利用垂直布置的傳（chuán）感器A和傳感器（qì）B在安裝於主軸軸端的高精度標準球上采樣，如圖5所示。忽略標準球（qiú）的（de）形狀誤差，通（tōng）過濾除基波消除偏心誤差，通過取多周采樣數據的平均值消除隨機誤差，得到空載條件下的主軸回轉誤差（chà）。
圖5標準球測試法
第二步，在主軸空（kōng）載條件（jiàn）下，利用垂直布置的傳感器A和傳感器B在主軸軸頸上嚴格定點采樣，如圖6所示。通過濾除基波消除偏心誤差（chà），通過（guò）取多周采樣數據的平均值消除（chú）隨機誤差。從采樣數（shù）據中減（jiǎn）去第一步測得的（de）對應采樣（yàng）位置上的主軸回轉誤差值，得出（chū）主（zhǔ）軸被測（cè）截麵圓度（dù）誤差。
圖6兩點測試法
最後，在加工條件下，利用第二步安裝好的“垂直布（bù）置兩點法（fǎ）”在主軸上嚴格定點采樣，從實時采樣（yàng）數據中減去第二步測得的對應（yīng）采樣位置上的主軸（zhóu）圓度誤差，即可得出加工條件下的主軸動態回轉誤差。
4.實驗研究
被測對象為自（zì）主開發的35 kW／6 000 r／IIlin超高速磨削電（diàn）機（jī）內置（zhì）式液體懸浮電主軸試驗台，如（rú）圖7所示。
圖（tú）7超高速磨削電機內置式液體懸（xuán）浮電主軸
測試（shì）係統（tǒng）采用（yòng）美國雄獅精儀公司（sī）的CPLl90回轉測（cè）量儀，如圖8所示。
圖8主軸回轉精度測試係統（tǒng）
CPLl90回轉測量儀利（lì）用兩（liǎng）個垂直布置的傳感器（qì）實現主軸徑向回轉誤（wù）差的兩點法測量，忽（hū）略了標準球的形狀誤差（chà），並通過（guò）濾除基波消除偏心（xīn）誤差，其（qí）傳感器的主要技術參數（shù）如表1所示。
表1傳感器主要技術指標
利用cPLl90回轉測量儀中的兩個傳感器組成如圖6所（suǒ）示的傳感器布置方式，直接在主軸外圓輪廓（kuò）上采樣。借助CPLl90回轉測量儀的（de）硬件係統，即可實現兩點主軸回轉精度（dù）測試方（fāng）法。
4．1 非加工條件下主軸回轉誤差測量
降低環境噪聲，僅用液（yè）壓工作站給軸係（xì）供給穩定的油壓，液體懸浮（fú）主軸在油壓（yā）的作用下發生自轉，主軸此時的誤差運動（dòng）主要（yào）由軸係的結構因素確定，以（yǐ）周期性成分為（wéi）主。
首先，利用CPLl90回轉測量儀在標準球上采樣，通過濾除基波消除偏心誤差，得到主軸回轉誤差，如圖9所示。
圖9主軸回轉誤（wù）差圖
然（rán）後，利用兩（liǎng）點法在主軸軸頸上直接采樣，並取多周采樣數據（jù）的平（píng）均值以消除隨機誤（wù）差的影響。從采樣數據（jù）中減去第一步測得（dé）的主軸回轉誤（wù）差，得到主軸（zhóu）被（bèi）測（cè）截麵圓（yuán）度誤差，如圖10所示。
圖10主軸被測截麵圓度（dù）誤差
4．2加工條（tiáo）件下主軸回轉誤差測量
利用VFD—B變頻器啟動電動機，通過連續調（diào）節變頻器的頻率（lǜ），增加電機的轉矩脈動，模擬（nǐ）主軸受動力學因素等隨（suí）機因素的影響情況。采用兩點法（fǎ）在主軸軸頸上直接采樣，利用CPLl90回（huí）轉測量儀上的編碼盤，確保主軸被測截麵上的采樣點始（shǐ）終不變。從采樣數據（jù）中減（jiǎn）去之前得到的主軸被測截麵（miàn）圓度誤差（chà），即可得到加工條件（jiàn）下的主軸回轉誤差，如圖1l和圖12所示。
圖11 主軸回轉誤差極坐標圖
圖12主軸回轉誤差幅值譜圖
從圖11和圖12可（kě）看出：主軸回轉誤差以同步誤差成分為（wéi）主，其中3次及5次諧波成分占有（yǒu）較大比重，異步誤差成分較小。
4．3實驗結果分析
(1)主軸回轉誤（wù）差頻譜主要由（yóu）1～5次諧波分量組成，並以3次（cì）、5次為主。
(2)主軸圓度誤差與主軸（zhóu）回轉誤差相似性強，說明主（zhǔ）軸的圓度誤差是造成主軸回轉誤差的重要因素。
(3)利用（yòng）兩點法測（cè）得主（zhǔ）軸被測截麵圓度誤差（chà）後，可（kě）實現加工條件（jiàn）下（xià）的主軸回轉誤（wù）差動態監測。
5.結束語（yǔ）
研究了一種簡便（biàn）、準確、能在主軸加工條件下對其進行回轉（zhuǎn）精度測試的兩點測量法，闡述了該測試方（fāng）法的理（lǐ）論，給出了完整的測量方法及具體（tǐ）的數據處理方法。經（jīng）理論與實驗研（yán）究證實，提出（chū）的兩點法主軸回轉精度（dù）測試方法是有效可行的。
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