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液（yè）體（tǐ）靜（jìng）壓主軸（zhóu）回轉精度（dù）測（cè）試方法的研究

2017-3-29 來源：空軍勤務學院航空四（sì）站係作者：浮燕，李想，王輝

摘要：在分析現有（yǒu）主軸回轉精（jīng）度測（cè）試方法的（de）基礎上，研（yán）究了（le）一種兩點法主軸回轉（zhuǎn）精度測試方（fāng）法。該方法（fǎ）首先在主軸空（kōng）載（zǎi）條件（jiàn）下，采用“標準球法”測得主軸回（huí）轉誤差，采用“垂直布置兩點法”在（zài）主軸軸頸（jǐng）上定點采樣，從（cóng）采樣數據中減去對應位置的（de）主（zhǔ）軸回轉誤差，得出主軸圓度誤差；然後在主軸加工條件下（xià），利用第一步中的“垂直布置兩點法”在主軸上定點采樣，從實時（shí）采樣數據中減去第一步測得的主軸圓度誤差，最（zuì）終得出（chū）主軸加工條件下的動態回（huí）轉誤差。結果表明：提出的兩點（diǎn）法主軸回轉精度測試方法（fǎ）是有（yǒu）效可行的。

關鍵詞：主（zhǔ）軸；回轉精度；二點法；誤差分離

0.前言

回轉精度是衡量超（chāo）精密機床（chuáng）主軸的關鍵技術指標，是影響機床加工誤差的重要因素。文中（zhōng）以高（gāo）速精密機床（chuáng）廣泛采用（yòng）的液體懸浮（fú）式主軸為研究對象，測試其在加工條（tiáo）件下的（de）回（huí）轉精度。主軸空載條（tiáo）件下，流體懸（xuán）浮電主軸誤差運動（dòng）的重複性很好，以同步誤差為主，異（yì）步誤（wù）差近似為正（zhèng）態分布噪聲，可采用多個采樣值平均的方法減（jiǎn）小和消除（chú），利用誤差分離技術即可（kě）測（cè）得主軸回（huí）轉精度。主軸（zhóu）加工條件下，機床主（zhǔ）軸回（huí）轉誤差運動受供油（yóu）壓力、脈動轉矩（jǔ）等動力（lì）學因素及環境噪聲等隨機因素的影響，往往（wǎng）表現出較強的（de）非周期性、非平穩特性（xìng），傳統的主軸（zhóu）回轉誤差測試技術不再適用（yòng），需要尋找（zhǎo）更合適的數據處理和分析方法。

1.主軸回轉軸線和回轉誤（wù）差（chà）的定（dìng）義

要實現對主軸回轉精度的測試，首先要明確主軸回轉軸線（xiàn）和回（huí）轉誤差的定義。根（gēn）據“cIRP統一文件”規定（dìng），主軸回轉軸線是指主軸繞其（qí）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線的直線做軸向、徑向和角度運（yùn）動，軸線平均線（xiàn）是固定不動的，它處（chù）於（yú）回（huí）轉軸線的平均位置上（shàng）‘¨。主軸實際回轉軸線相對於其理想回轉軸線的位置變動，被定義為主軸回轉誤差，其基本運動（dòng）形式如圖1所示。

圖1 主軸回轉誤差運動示意圖

2.現有主軸回轉精度測試方法

2．1傳統測試方法

2．1．1單點法

單點法使用一（yī）個傳感器在被（bèi）測截麵的一個方向上獲（huò）取數（shù）據，在理想測試條件下，其（qí）測量結果是主軸回轉誤差在傳感器軸線方向上的分量與被測（cè）截麵形狀誤差的疊加。

2．1．2垂直布置式兩點法

垂直布置式兩點法使用兩個垂直布置的傳感（gǎn）器在被測截麵的兩個（gè）方向獲（huò）取數據，通過合成兩組數據（jù），在平麵內刻畫主（zhǔ）軸軸心軌跡。該方法不（bú）能實現（xiàn）誤差分離，多在被測（cè）截麵形狀誤差遠小於主軸回轉誤差（chà）測（cè）試條件下使用。

此外，伍良生教授等口1開發了一種數理統計法誤差分離技術，該方法（fǎ）同樣采用兩個垂直布置的傳感器進（jìn）行測量，結合了（le）高速高精度主（zhǔ）軸的特點及主軸軸心運動的統計規律特性，運用數（shù）學統計理論實現誤差分離。

2．1．3反向法

反向法是Donald8叫【31在1972年首先提出的（de），它使用一個（gè）傳感器在被測截麵的兩個相反方向上（shàng）獲取數據，其工作原理如圖2所示。

圖2反向法原（yuán）理圖

首先使用（yòng）一個傳感器對安裝在主軸上的標準球進行第一次測量，得到反向前讀數值s。(p)，然後軸係不動，標準球和傳感器各自相對於（yú）軸係轉動1800，再進行第二次測量，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（lǐ）想測試條件下，反向法能夠實現誤差分離，得出主軸回轉誤差在傳（chuán）感器軸線方向上的分量，但其對傳感器及標準球的轉位精度要求較（jiào）高。

2．1．4對稱布置式兩（liǎng）點法

對稱布置（zhì）式兩點法㈨使用兩個對稱布置的傳感器在被測截麵的兩個相反方向上獲取數據，其工作原理如圖3所示。

圖3對稱布置式兩點法原理圖

由上述原理類推，可（kě）求出第l，2，⋯，n一1點的結果。對稱布（bù）置式兩點法（fǎ）多（duō）在主軸回轉（zhuǎn）誤差（chà）以偶數次諧（xié）波成分為主測試條件下使用，在理想測試條件下，其測量結果是主軸回轉誤差在傳感器軸線方（fāng）向上的分量。

2．1．5傳統三點法（fǎ）圓度誤差分離（lí）方法

1966年日本學者青（qīng）木保雄等”1提出三點法圓度誤差分離技術。其工作原理如圖4所示。

圖（tú）4 傳統三點法原理圖

為主軸回轉中（zhōng）心，D為3個傳感器A、B、c軸線的交點，且。處於o’的平均位置上，a、JB為傳感器安裝（zhuāng）角，．s(p)為被（bèi）測截麵形狀（zhuàng）誤差（chà），R(口)、日(一)分別為主軸回轉誤差在菇軸和y軸上的分量。3個傳感器同時采樣。主軸轉動一周，傳感（gǎn）器在被測截麵上均角采（cǎi）樣Ⅳ點，獲得的測量信號分別為（wéi）A(p)、B(p)和c(口)，其輸出為（wéi）：

傳統三點法能夠（gòu）實現誤差分離，測（cè）試快捷，滿足實（shí）時在（zài）線測量要求，但存（cún）在原理（lǐ）誤差，對傳感器的安裝定位（wèi）精度要求較高。萬德安、劉海江哺1在傳統三點法的基礎上通過重新布置3個傳感器的安裝角直接獲得主軸回（huí）轉誤差的各（gè）次諧波分量j洪邁生、鄧宗煌等門（mén）1提出了精確的時域三點法圓度誤差分離方法，該方法基於誤差分離技術的原則，僅需在時域上直接對實測數（shù）據按（àn）簡便代（dài）數式進行遞（dì）推即（jí）可進行分離運算，因而更為方便，實時性也更強（qiáng），但是，初值問題會影響時域三點（diǎn）法的分離精度。

3.兩點法主軸回轉精度測試方法

以高速精（jīng）密機床廣泛采用（yòng）的液體（tǐ）懸浮式主軸為（wéi）研究對象，測（cè）試其加工條件下的主軸回轉精度。非加工條（tiáo）件下，流體懸浮主軸回轉誤差運動的重複性很好，以（yǐ）同步誤差為主，異步誤差近似（sì）為正態分布噪聲。加工條件（jiàn）下，流體懸浮主軸回（huí）轉誤差運動受供油壓力、脈動轉矩（jǔ）等動力學因素及環境（jìng）噪聲等隨機因素的影響，往往表現出較（jiào）強的（de）非周期性、非平穩特（tè）性¨1，傳統的主軸回轉精（jīng）度測試方法不再適用。文中提出（chū）一種簡便（biàn）、準確的兩點法主軸回轉精度測試方法（fǎ），有效地解（jiě）決了這一問題。

第一（yī）步，在（zài）主軸空載條件下，利用垂直（zhí）布置的傳感（gǎn）器A和傳（chuán）感器B在安裝於主軸軸端的高精度標準球上（shàng）采樣（yàng），如圖5所示。忽（hū）略標（biāo）準球的形（xíng）狀誤差，通過濾除基波（bō）消除（chú）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（kōng）載條（tiáo）件（jiàn）下的主軸（zhóu）回轉誤（wù）差（chà）。

圖5標準球測試法

第二步（bù），在主軸空載條件下（xià），利用垂直布置的傳感器A和傳感器B在主軸軸頸（jǐng）上嚴格定點采樣，如圖6所示。通過濾除基（jī）波消除偏心誤差，通過取多周采樣數據的平均值（zhí）消除隨機誤差。從采樣數據中減去（qù）第一步測（cè）得的對應采樣位置（zhì）上的主軸回轉誤差值，得出主軸被測（cè）截麵圓度誤差。

圖6兩點測試法

最後，在加工（gōng）條件下，利用第二步安裝好的“垂直布置兩點法”在（zài）主軸上嚴格定點采樣，從實時采樣（yàng）數據中減去第二（èr）步測（cè）得的對應采樣位置上的主軸圓度誤差，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超高速磨削電機內置（zhì）式液體懸浮電主軸試驗台，如圖7所（suǒ）示。

圖7超高速磨削電機（jī）內置式液體懸浮電主（zhǔ）軸

測試係統采用美國雄獅精（jīng）儀公司的CPLl90回轉測量儀，如圖8所示。

圖8主軸回轉精度測試係統

CPLl90回（huí）轉測量（liàng）儀利用兩個垂直（zhí）布置的傳感器實（shí）現主軸徑向回轉誤差（chà）的兩點法（fǎ）測量，忽略了標準球的（de）形狀誤差，並通（tōng）過濾除基（jī）波消（xiāo）除偏心誤差，其（qí）傳感器的主要技術參（cān）數如表（biǎo）1所示。

表1傳（chuán）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所示的傳（chuán）感器布置方式，直接在主軸外圓輪廓上采樣。借助CPLl90回轉測（cè）量儀的硬件係統（tǒng），即可實現兩點主軸回轉精度測試方法。

4．1 非加工條件下主（zhǔ）軸回轉誤差測量

降低環境噪聲，僅用液（yè）壓工作站給軸係供（gòng）給穩定的油壓，液體懸浮主軸在油（yóu）壓的作用（yòng）下發生自（zì）轉，主軸（zhóu）此（cǐ）時的誤差運動主要（yào）由軸係的結構因素確定，以周期性成分為主。

首先，利用CPLl90回（huí）轉（zhuǎn）測量儀在標準球上采樣，通過（guò）濾除（chú）基波消除偏心誤差（chà），得到主（zhǔ）軸回轉誤差，如圖9所示。

圖9主（zhǔ）軸回轉誤差圖

然後，利用兩點法在主軸軸頸上直接采樣，並取多周采樣數據的平均（jun1）值（zhí）以（yǐ）消除隨機誤差的影響。從采樣數（shù）據中減（jiǎn）去第（dì）一步測得的主軸回轉誤差，得到主軸被測截麵圓（yuán）度誤差，如圖10所（suǒ）示。

圖10主（zhǔ）軸被測截麵圓度誤差

4．2加工條件下主軸回轉誤（wù）差測量

利用VFD—B變頻器啟動電動機，通過連續（xù）調節變頻器的頻（pín）率，增加電機的轉矩脈動（dòng），模擬主軸受動力學因素等隨機因素的影響情況（kuàng）。采用兩點法在主軸軸（zhóu）頸上直接采樣，利用CPLl90回轉測（cè）量儀上的編碼盤，確（què）保主軸被測截麵上的采樣點始終不變（biàn）。從采樣數據（jù）中減去之前得（dé）到的主軸被測截麵圓度誤差，即可得到加工條件下的主軸回轉誤差，如圖1l和圖12所示。