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摘要：在分析現(xiàn)有主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，研究了一種兩點(diǎn)法主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法。該方法首先在主軸空載條件下，采用“標(biāo)準(zhǔn)球法”測(cè)得主軸回轉(zhuǎn)誤差，采用“垂直布置兩點(diǎn)法”在主軸軸頸上定點(diǎn)采樣，從采樣數(shù)據(jù)中減去對(duì)應(yīng)位置的主軸回轉(zhuǎn)誤差，得出主軸圓度誤差；然后在主軸加工條件下，利用第一步中的“垂直布置兩點(diǎn)法”在主軸上定點(diǎn)采樣，從實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)中減去第一步測(cè)得的主軸圓度誤差，最終得出主軸加工條件下的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)誤差。結(jié)果表明：提出的兩點(diǎn)法主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法是有效可行的。
關(guān)鍵詞：主軸；回轉(zhuǎn)精度；二點(diǎn)法；誤差分離
0.前言
回轉(zhuǎn)精度是衡量超精密機(jī)床主軸的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，是影響機(jī)床加工誤差的重要因素。文中以高速精密機(jī)床廣泛采用的液體懸浮式主軸為研究對(duì)象，測(cè)試其在加工條件下的回轉(zhuǎn)精度。主軸空載條件下，流體懸浮電主軸誤差運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性很好，以同步誤差為主，異步誤差近似為正態(tài)分布噪聲，可采用多個(gè)采樣值平均的方法減小和消除，利用誤差分離技術(shù)即可測(cè)得主軸回轉(zhuǎn)精度。主軸加工條件下，機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)受供油壓力、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩等動(dòng)力學(xué)因素及環(huán)境噪聲等隨機(jī)因素的影響，往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的非周期性、非平穩(wěn)特性，傳統(tǒng)的主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試技術(shù)不再適用，需要尋找更合適的數(shù)據(jù)處理和分析方法。
1.主軸回轉(zhuǎn)軸線和回轉(zhuǎn)誤差的定義
要實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)試，首先要明確主軸回轉(zhuǎn)軸線和回轉(zhuǎn)誤差的定義。根據(jù)“cIRP統(tǒng)一文件”規(guī)定，主軸回轉(zhuǎn)軸線是指主軸繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的直線，該直線與主軸固定連接，并與主軸一同相對(duì)于另一條稱(chēng)為軸線平均線的直線做軸向、徑向和角度運(yùn)動(dòng)，軸線平均線是固定不動(dòng)的，它處于回轉(zhuǎn)軸線的平均位置上‘¨。主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于其理想回轉(zhuǎn)軸線的位置變動(dòng)，被定義為主軸回轉(zhuǎn)誤差，其基本運(yùn)動(dòng)形式如圖1所示。
圖1 主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)示意圖
2.現(xiàn)有主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法
2．1傳統(tǒng)測(cè)試方法
2．1．1單點(diǎn)法
單點(diǎn)法使用一個(gè)傳感器在被測(cè)截面的一個(gè)方向上獲取數(shù)據(jù)，在理想測(cè)試條件下，其測(cè)量結(jié)果是主軸回轉(zhuǎn)誤差在傳感器軸線方向上的分量與被測(cè)截面形狀誤差的疊加。
2．1．2垂直布置式兩點(diǎn)法
垂直布置式兩點(diǎn)法使用兩個(gè)垂直布置的傳感器在被測(cè)截面的兩個(gè)方向獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)合成兩組數(shù)據(jù)，在平面內(nèi)刻畫(huà)主軸軸心軌跡。該方法不能實(shí)現(xiàn)誤差分離，多在被測(cè)截面形狀誤差遠(yuǎn)小于主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試條件下使用。
此外，伍良生教授等口1開(kāi)發(fā)了一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)法誤差分離技術(shù)，該方法同樣采用兩個(gè)垂直布置的傳感器進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合了高速高精度主軸的特點(diǎn)及主軸軸心運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律特性，運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)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，它使用一個(gè)傳感器在被測(cè)截面的兩個(gè)相反方向上獲取數(shù)據(jù)，其工作原理如圖2所示。
圖2反向法原理圖
首先使用一個(gè)傳感器對(duì)安裝在主軸上的標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行第一次測(cè)量，得到反向前讀數(shù)值s。(p)，然后軸系不動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)球和傳感器各自相對(duì)于軸系轉(zhuǎn)動(dòng)1800，再進(jìn)行第二次測(cè)量，得到反向后讀數(shù)值S：(p)。其中|s。(p)和S：(口)均包含被測(cè)截面形狀誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差，并有如下關(guān)系：
在理想測(cè)試條件下，反向法能夠?qū)崿F(xiàn)誤差分離，得出主軸回轉(zhuǎn)誤差在傳感器軸線方向上的分量，但其對(duì)傳感器及標(biāo)準(zhǔn)球的轉(zhuǎn)位精度要求較高。
2．1．4對(duì)稱(chēng)布置式兩點(diǎn)法
對(duì)稱(chēng)布置式兩點(diǎn)法㈨使用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的傳感器在被測(cè)截面的兩個(gè)相反方向上獲取數(shù)據(jù)，其工作原理如圖3所示。
圖3對(duì)稱(chēng)布置式兩點(diǎn)法原理圖
由上述原理類(lèi)推，可求出第l，2，?，n一1點(diǎn)的結(jié)果。對(duì)稱(chēng)布置式兩點(diǎn)法多在主軸回轉(zhuǎn)誤差以偶數(shù)次諧波成分為主測(cè)試條件下使用，在理想測(cè)試條件下，其測(cè)量結(jié)果是主軸回轉(zhuǎn)誤差在傳感器軸線方向上的分量。
2．1．5傳統(tǒng)三點(diǎn)法圓度誤差分離方法
1966年日本學(xué)者青木保雄等”1提出三點(diǎn)法圓度誤差分離技術(shù)。其工作原理如圖4所示。
圖4 傳統(tǒng)三點(diǎn)法原理圖
為主軸回轉(zhuǎn)中心，D為3個(gè)傳感器A、B、c軸線的交點(diǎn)，且。處于o’的平均位置上，a、JB為傳感器安裝角，．s(p)為被測(cè)截面形狀誤差，R(口)、日(一)分別為主軸回轉(zhuǎn)誤差在菇軸和y軸上的分量。3個(gè)傳感器同時(shí)采樣。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，傳感器在被測(cè)截面上均角采樣Ⅳ點(diǎn)，獲得的測(cè)量信號(hào)分別為A(p)、B(p)和c(口)，其輸出為：
傳統(tǒng)三點(diǎn)法能夠?qū)崿F(xiàn)誤差分離，測(cè)試快捷，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)在線測(cè)量要求，但存在原理誤差，對(duì)傳感器的安裝定位精度要求較高。萬(wàn)德安、劉海江哺1在傳統(tǒng)三點(diǎn)法的基礎(chǔ)上通過(guò)重新布置3個(gè)傳感器的安裝角直接獲得主軸回轉(zhuǎn)誤差的各次諧波分量j洪邁生、鄧宗煌等門(mén)1提出了精確的時(shí)域三點(diǎn)法圓度誤差分離方法，該方法基于誤差分離技術(shù)的原則，僅需在時(shí)域上直接對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按簡(jiǎn)便代數(shù)式進(jìn)行遞推即可進(jìn)行分離運(yùn)算，因而更為方便，實(shí)時(shí)性也更強(qiáng)，但是，初值問(wèn)題會(huì)影響時(shí)域三點(diǎn)法的分離精度。
3.兩點(diǎn)法主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法
以高速精密機(jī)床廣泛采用的液體懸浮式主軸為研究對(duì)象，測(cè)試其加工條件下的主軸回轉(zhuǎn)精度。非加工條件下，流體懸浮主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性很好，以同步誤差為主，異步誤差近似為正態(tài)分布噪聲。加工條件下，流體懸浮主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)受供油壓力、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩等動(dòng)力學(xué)因素及環(huán)境噪聲等隨機(jī)因素的影響，往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的非周期性、非平穩(wěn)特性¨1，傳統(tǒng)的主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法不再適用。文中提出一種簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的兩點(diǎn)法主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法，有效地解決了這一問(wèn)題。
第一步，在主軸空載條件下，利用垂直布置的傳感器A和傳感器B在安裝于主軸軸端的高精度標(biāo)準(zhǔn)球上采樣，如圖5所示。忽略標(biāo)準(zhǔn)球的形狀誤差，通過(guò)濾除基波消除偏心誤差，通過(guò)取多周采樣數(shù)據(jù)的平均值消除隨機(jī)誤差，得到空載條件下的主軸回轉(zhuǎn)誤差。
圖5 標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)試法
第二步，在主軸空載條件下，利用垂直布置的傳感器A和傳感器B在主軸軸頸上嚴(yán)格定點(diǎn)采樣，如圖6所示。通過(guò)濾除基波消除偏心誤差，通過(guò)取多周采樣數(shù)據(jù)的平均值消除隨機(jī)誤差。從采樣數(shù)據(jù)中減去第一步測(cè)得的對(duì)應(yīng)采樣位置上的主軸回轉(zhuǎn)誤差值，得出主軸被測(cè)截面圓度誤差。
圖6兩點(diǎn)測(cè)試法
最后，在加工條件下，利用第二步安裝好的“垂直布置兩點(diǎn)法”在主軸上嚴(yán)格定點(diǎn)采樣，從實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)中減去第二步測(cè)得的對(duì)應(yīng)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(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)誤差。
4.實(shí)驗(yàn)研究
被測(cè)對(duì)象為自主開(kāi)發(fā)的35 kW／6 000 r／IIlin超高速磨削電機(jī)內(nèi)置式液體懸浮電主軸試驗(yàn)臺(tái)，如圖7所示。
圖7超高速磨削電機(jī)內(nèi)置式液體懸浮電主軸
測(cè)試系統(tǒng)采用美國(guó)雄獅精儀公司的CPLl90回轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x，如圖8所示。
圖8主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試系統(tǒng)
CPLl90回轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x利用兩個(gè)垂直布置的傳感器實(shí)現(xiàn)主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的兩點(diǎn)法測(cè)量，忽略了標(biāo)準(zhǔn)球的形狀誤差，并通過(guò)濾除基波消除偏心誤差，其傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1傳感器主要技術(shù)指標(biāo)
利用cPLl90回轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x中的兩個(gè)傳感器組成如圖6所示的傳感器布置方式，直接在主軸外圓輪廓上采樣。借助CPLl90回轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x的硬件系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法。
4．1 非加工條件下主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量
降低環(huán)境噪聲，僅用液壓工作站給軸系供給穩(wěn)定的油壓，液體懸浮主軸在油壓的作用下發(fā)生自轉(zhuǎn)，主軸此時(shí)的誤差運(yùn)動(dòng)主要由軸系的結(jié)構(gòu)因素確定，以周期性成分為主。
首先，利用CPLl90回轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x在標(biāo)準(zhǔn)球上采樣，通過(guò)濾除基波消除偏心誤差，得到主軸回轉(zhuǎn)誤差，如圖9所示。
圖9主軸回轉(zhuǎn)誤差圖
然后，利用兩點(diǎn)法在主軸軸頸上直接采樣，并取多周采樣數(shù)據(jù)的平均值以消除隨機(jī)誤差的影響。從采樣數(shù)據(jù)中減去第一步測(cè)得的主軸回轉(zhuǎn)誤差，得到主軸被測(cè)截面圓度誤差，如圖10所示。
圖10主軸被測(cè)截面圓度誤差
4．2加工條件下主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量
利用VFD—B變頻器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，模擬主軸受動(dòng)力學(xué)因素等隨機(jī)因素的影響情況。采用兩點(diǎn)法在主軸軸頸上直接采樣，利用CPLl90回轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x上的編碼盤(pán)，確保主軸被測(cè)截面上的采樣點(diǎn)始終不變。從采樣數(shù)據(jù)中減去之前得到的主軸被測(cè)截面圓度誤差，即可得到加工條件下的主軸回轉(zhuǎn)誤差，如圖1l和圖12所示。
圖11 主軸回轉(zhuǎn)誤差極坐標(biāo)圖
圖12主軸回轉(zhuǎn)誤差幅值譜圖
從圖11和圖12可看出：主軸回轉(zhuǎn)誤差以同步誤差成分為主，其中3次及5次諧波成分占有較大比重，異步誤差成分較小。
4．3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
(1)主軸回轉(zhuǎn)誤差頻譜主要由1——5次諧波分量組成，并以3次、5次為主。
(2)主軸圓度誤差與主軸回轉(zhuǎn)誤差相似性強(qiáng)，說(shuō)明主軸的圓度誤差是造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的重要因素。
(3)利用兩點(diǎn)法測(cè)得主軸被測(cè)截面圓度誤差后，可實(shí)現(xiàn)加工條件下的主軸回轉(zhuǎn)誤差動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
5.結(jié)束語(yǔ)
研究了一種簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、能在主軸加工條件下對(duì)其進(jìn)行回轉(zhuǎn)精度測(cè)試的兩點(diǎn)測(cè)量法，闡述了該測(cè)試方法的理論，給出了完整的測(cè)量方法及具體的數(shù)據(jù)處理方法。經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，提出的兩點(diǎn)法主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試方法是有效可行的。
來(lái)源：空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系 作者：浮燕，李想，王輝
