液體靜壓主軸回轉精度測試（shì）方法的（de）研（yán）究
2017-3-29 來源：空軍勤務學院（yuàn）航空四站係 作（zuò）者：浮燕，李（lǐ）想，王（wáng）輝
摘要：在分析現有主軸回轉精度測試方法的基礎上，研究了一種兩點法主軸（zhóu）回轉精度測試方法。該方法首先在主軸空載條件下，采用“標準球法”測得（dé）主軸回轉誤差，采用“垂直布（bù）置（zhì）兩點法”在主軸軸頸上定點（diǎn）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（zài）主軸加工條件下，利用第一（yī）步中的“垂直布置兩（liǎng）點法”在主軸上定（dìng）點采樣，從實時采樣數據（jù）中減去第一步測得的（de）主軸圓度誤差，最終得出主軸加（jiā）工條件下的動態回轉誤差。結果表（biǎo）明（míng）：提出的兩點法主軸回轉精度測試方法是有效可行的。
關鍵詞：主軸；回（huí）轉精度；二點法；誤差分離（lí）
0.前言
回轉精度是衡量超精密（mì）機床主軸的關（guān）鍵（jiàn）技術指標，是影響機床加工誤差（chà）的重要因（yīn）素。文中以高速精（jīng）密機床廣泛采用的液體懸浮（fú）式主軸為研究對象，測試其在（zài）加工條件（jiàn）下的回轉精度。主軸空（kōng）載條（tiáo）件（jiàn）下，流體懸浮電主軸誤差運動（dòng）的重複性很好，以同步誤（wù）差（chà）為主，異步誤差近（jìn）似為正態分布（bù）噪聲，可采用多個采（cǎi）樣值平均的方法減小和消除，利用誤差分離技術即可測得主（zhǔ）軸（zhóu）回轉精度。主（zhǔ）軸加工條件下，機床主軸回（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，往往表現出較強的非周期（qī）性、非（fēi）平穩特性，傳統的主軸回轉誤差測試技術不再（zài）適用（yòng），需要尋找更合適的（de）數據處理和分析方法。
1.主軸回轉軸線和回轉誤差的定義（yì）
要實現（xiàn）對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，主軸回轉軸線（xiàn）是指主軸繞其轉（zhuǎn）動（dòng）的直線，該直線與主軸固定連接，並與主軸一同相對（duì）於（yú）另一（yī）條（tiáo）稱為軸線平均線的直線做軸（zhóu）向、徑向和角度運動，軸線平均線是固定（dìng）不動的，它處於（yú）回轉軸線的平均位（wèi）置（zhì）上‘¨。主軸實際（jì）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（zhóu）回轉誤差，其基本（běn）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（jīng）度測試方法
2．1傳統測試（shì）方法
2．1．1單（dān）點法
單點法使用一個傳感器在被測截麵的一個方向上獲取數據（jù），在（zài）理想測試（shì）條件下，其測量結果是主軸回轉誤差在傳感器軸（zhóu）線方向上的分量（liàng）與（yǔ）被測截麵形狀誤差的疊加。
2．1．2垂直布置式兩點法
垂直（zhí）布置式兩點法使用（yòng）兩（liǎng）個垂直布置的傳感器在被測截麵的兩個方向獲取數據，通過合成（chéng）兩組數據（jù），在平麵內刻畫主軸軸（zhóu）心軌（guǐ）跡。該方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誤差測試條件下使用。
此（cǐ）外，伍良生教（jiāo）授（shòu）等口1開發了一種數理統計法誤差分離技術，該方法同樣采用兩個垂直布置的傳感器（qì）進行測量，結合了高速（sù）高（gāo）精度主軸的特點及主軸軸心（xīn）運動的統計規律特性（xìng），運用數學統計（jì）理論實（shí）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，它使用一個傳感器在被（bèi）測截麵的兩個相反方（fāng）向上獲（huò）取數據，其工作原理如圖2所示。
圖2反向法原理圖
首先使（shǐ）用一（yī）個傳感器對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），標準球和傳感器各自相對於（yú）軸係轉動（dòng）1800，再（zài）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，並有如下關係：
在理想測試條件下，反向法能夠實現誤差分離，得出主軸回轉誤差在（zài）傳感（gǎn）器軸（zhóu）線方向（xiàng）上的分量（liàng），但其對傳感器及標準球的轉位（wèi）精（jīng）度要求較高。
2．1．4對稱布置式兩點法
對稱布置式兩（liǎng）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（fāng）向上獲取數據，其工作（zuò）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。對（duì）稱布置式兩點法多在主軸回轉誤差以偶數次諧波成分為主測試條（tiáo）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向上的分量。
2．1．5傳統三點法（fǎ）圓度誤差分離方法
1966年日本（běn）學（xué）者青木（mù）保雄等”1提（tí）出三點法圓度誤差分離技術。其工作原理（lǐ）如圖4所示。
圖4 傳統三點法原理圖
為主軸回轉中心（xīn），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為傳感器安裝角，．s(p)為被（bèi）測截麵形狀誤差，R(口)、日(一)分別為主軸回（huí）轉誤差在菇軸和（hé）y軸上的分量（liàng）。3個傳感（gǎn）器同時采（cǎi）樣。主軸轉動一周，傳感器在被測截麵上（shàng）均角采樣Ⅳ點，獲得的測量信號分別為A(p)、B(p)和c(口)，其輸出為：
傳統三點法能夠（gòu）實現誤差分離，測試快捷，滿足實（shí）時在線測量要求，但存（cún）在原理誤差，對傳感（gǎn）器的安裝定位精度要求較高。萬德（dé）安、劉海江哺1在傳（chuán）統三（sān）點法的基礎上通過重新布置3個傳（chuán）感器的安裝角直接獲得主軸回轉誤差的各次諧波分量（liàng）j洪（hóng）邁生、鄧宗（zōng）煌等門1提（tí）出了精確的時（shí）域三點（diǎn）法圓度誤差（chà）分離方法，該方法基於誤差分離技（jì）術的原則，僅需在時域上直接對實（shí）測數據按簡便（biàn）代數式進行遞推即可進行（háng）分（fèn）離運（yùn）算，因而更為方便，實時性也更強，但（dàn）是，初值問題會影響時（shí）域三點法的分離精（jīng）度。
3.兩點法主軸回轉精度測（cè）試方法（fǎ）
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，測試其加工條件下（xià）的主軸回轉精度。非加（jiā）工條件下，流體懸浮（fú）主軸回轉誤差運動的重複性很好，以同步誤差為主，異步誤差近似為正態分布噪聲。加工條件（jiàn）下，流體懸浮主軸回轉誤差運動（dòng）受供油壓力、脈（mò）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）非周期性、非平穩特性¨1，傳統的主軸回轉精度測試（shì）方（fāng）法不再適用。文中提出一種簡便、準確的兩點法主軸回轉精度測試方（fāng）法，有效地解（jiě）決了這一問題。
第一步，在（zài）主軸空載條件下，利用垂直布置的傳感器A和傳感器B在安裝於主軸軸端（duān）的高精度標準球上采樣，如圖5所示。忽略標準球的形狀誤差，通過（guò）濾除基波消除偏心誤差，通過取多周（zhōu）采樣數據的平均（jun1）值消除隨機誤差，得到空載條件下的主軸回轉誤差。
圖5標（biāo）準球測試法
第二步，在主軸空載（zǎi）條（tiáo）件下（xià），利用垂（chuí）直布置的傳感器A和傳感器B在主軸軸頸（jǐng）上嚴格定（dìng）點采樣，如圖6所示。通過濾除基波消除（chú）偏心誤差，通過取多周采樣數據的平均值消除隨機誤差。從采樣數據中減去第一步測得的對應采樣位（wèi）置上（shàng）的主軸回轉誤（wù）差值，得出主軸被測截麵（miàn）圓度誤差。
圖6兩點測試法
最後（hòu），在（zài）加工條件下，利用第二步安裝（zhuāng）好的（de）“垂直布置（zhì）兩點法”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
被測對象為自主開發的35 kW／6 000 r／IIlin超高速磨削（xuē）電機內置式（shì）液體懸浮電主軸試驗台（tái），如（rú）圖（tú）7所示。
圖7超高速磨削電機內置式（shì）液體懸浮電主軸
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（zhóu）回轉精度測試係（xì）統
CPLl90回轉測量儀利用兩個垂直布置的傳感（gǎn）器實現主（zhǔ）軸（zhóu）徑向回轉誤（wù）差的兩點（diǎn）法測量，忽略了標準球的形狀誤差，並通過濾除基波消除（chú）偏心誤差，其傳感器（qì）的主要技術（shù）參數如表1所示。
表1傳（chuán）感器主（zhǔ）要技術指（zhǐ）標
利用cPLl90回轉測（cè）量儀中的兩個傳感器（qì）組成如（rú）圖6所示的傳感器布置方式，直（zhí）接在（zài）主軸外圓輪廓上采樣。借助CPLl90回轉測量儀的（de）硬（yìng）件係統（tǒng），即可實現兩點主軸回轉精度（dù）測試方法。
4．1 非加工條件（jiàn）下主軸（zhóu）回轉誤（wù）差測量（liàng）
降（jiàng）低環境噪聲，僅（jǐn）用液壓工作站（zhàn）給軸（zhóu）係供給穩定的油壓，液體懸浮主軸在油（yóu）壓的作用下發生自轉，主軸此時的誤差運動主要由軸係的結構因素確定，以周期性成分為主。
首先，利用CPLl90回轉測量（liàng）儀在標準（zhǔn）球（qiú）上采（cǎi）樣，通過濾除基波消除偏心誤差，得到（dào）主軸回轉誤差，如圖（tú）9所示。
圖9主軸回轉誤差圖
然後，利用兩點法在主軸軸頸上直接采（cǎi）樣，並取多周采（cǎi）樣數據的平均值以消除隨機誤差的影響。從采樣數據中減去第一步測得（dé）的主軸（zhóu）回轉誤差，得到主軸被測截麵圓度（dù）誤差，如（rú）圖10所示。
圖10主軸被測截麵圓度誤（wù）差
4．2加工條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（biàn）頻器的頻（pín）率，增（zēng）加電機（jī）的轉矩脈動，模擬主軸受動力學因素等隨機因素的（de）影響情況。采（cǎi）用兩點法在主（zhǔ）軸軸頸上直接采樣，利用CPLl90回轉（zhuǎn）測量儀上的編碼盤，確保（bǎo）主軸被測截麵上的采（cǎi）樣點始終不變。從采樣數據中減（jiǎn）去之前得到的主（zhǔ）軸（zhóu）被測截（jié）麵（miàn）圓度（dù）誤差，即可得到（dào）加工條件下的主（zhǔ）軸回轉誤差，如圖1l和圖12所示。
圖11 主軸回（huí）轉誤差極坐標圖
圖12主軸回轉誤差幅值譜（pǔ）圖
從圖11和圖12可看出：主軸回轉（zhuǎn）誤差（chà）以同步誤差成分為主，其（qí）中3次及5次諧波成分占有較大（dà）比重，異步（bù）誤差成分較小。
4．3實驗（yàn）結果（guǒ）分析
(1)主（zhǔ）軸回轉誤差頻譜主要由1～5次諧波分量組成，並以3次、5次為主。
(2)主軸圓度誤（wù）差與主軸回轉誤差相似性強，說明主軸的圓度誤差是造成主軸回（huí）轉誤差的重要因素。
(3)利用兩點法測得（dé）主軸被測截（jié）麵圓度誤差後，可實現加（jiā）工條件下的主軸回轉誤差動態監測。
5.結束語
研究了一種簡便（biàn）、準確、能在（zài）主軸加（jiā）工條（tiáo）件下（xià）對其進行回轉精度測試的兩點測量法，闡述了該測試方法的理論（lùn），給出了完整（zhěng）的測量方法及具體的數據處理方法。經理論與實驗研究證實，提出的兩（liǎng）點法主軸回轉精（jīng）度測試方法是有效可行的。
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