高精密機床主軸回轉誤差在線測試係統
2016-12-28 來源：中（zhōng）國工程物理研究院（yuàn）總體工程研究所 作者：周繼昆, 張榮, 淩明祥（xiáng）, 張毅
摘要：為實現對高精度（dù）機床主軸回轉誤差的在線實時測量,根據機床機械結構特點,采用標準球及外（wài）基準（zhǔn）測量方法間（jiān）接對機（jī）床主軸徑向位移進行測量,並利用三點法誤差分離算法將主軸圓度誤差與回轉誤差分離,得到純回轉誤差。依（yī）據（jù）所提出的測（cè）試方法,基（jī）於（yú）PXI 總線數據采集技術建立測試係統硬（yìng）件部分,並利用PXI 外部時鍾同步采集卡實現主軸徑向位移信（xìn）息的等角度同（tóng）步采樣；在LabVIEW 開發環境下,開（kāi）發在線測試軟件,對回（huí）轉誤（wù）差進行在線分離。利用該係統對（duì）某機床（chuáng）進行在線測試,測（cè）試結果表明,測試係統可以在（zài）線將機床（chuáng）主軸純回轉誤差從（cóng）徑向（xiàng）位移信息中分離出來,並達（dá）到較（jiào）高的測試準確度。
關（guān）鍵詞：精密（mì）機床；主軸回轉誤差；在線測試；三點法；標（biāo）準球；外基準測量
0.引言
主軸回轉誤差是衡量機床性能的重要指標（biāo）,也是影（yǐng）響加工準確度的重要因素[1-2]。主軸回轉誤差是一個二維平麵運（yùn）動位移量,當測量準確度進入亞微米甚至納（nà）米級（jí）時,混入測量數據中的形（xíng）狀誤差、表麵粗（cū）糙度就會凸（tū）顯出來,甚至會掩蓋掉主軸微小的回（huí）轉誤差[3],需采用一（yī）定的分離方法才能提取回轉誤差。
常用（yòng）回轉誤差分離方法有反向法[4]、多點法[5]、多步法[6]等；其中,三（sān）點法（fǎ）誤差分離技術相對成熟,且適用於（yú）在線回轉誤差測試[7-8]。目前已有（yǒu）研究都是以機床主軸轉速穩定為測試（shì）條（tiáo）件,並未考慮在不同轉速或轉速控製存在一定（dìng）偏差的情況下在線測試主軸回轉誤差[1,3,5]。
本文根據三點（diǎn）法回轉（zhuǎn）誤差測量分離理論（lùn）[9-10],設（shè）計了固定位移傳感器夾具和測試用（yòng）標準球；基於PXI 總線技術搭建（jiàn）測試係統,利用PXI 外部時鍾同步采集卡實現主（zhǔ）軸徑向運（yùn）行信息的等角度同步采樣；在LabVIEW 開發環境下,開發（fā）測試回轉誤差在線測試軟件,並通過現場測試驗證該測試係統的正確性和有（yǒu）效性。
1.測試係統機械結構設計
本文測量對象為一台（tái）高（gāo）精密機床,由於機床在設計時並未考慮為主軸回轉誤差測量（liàng）預留相關機械（xiè）接口；因此,首先（xiān）應根據機（jī）床機械結構設（shè）計合適的夾具來安裝（zhuāng）位（wèi）移（yí）傳感器以及標準球。
為在線測得機（jī）床主（zhǔ）軸（zhóu）回轉誤差,本文采用“標準球+三（sān）點外基準非接觸式（shì）”測試方法對（duì）機床主軸運動時的徑向（xiàng）運動信息進行（háng）測量。首先在機床主（zhǔ）軸上安裝標準球,機床為一圓（yuán）柱體,由位於軸心的機床主軸帶動旋轉。由於無法直接（jiē）測量主軸徑向（xiàng）運行信息,將圓柱體形標準球固定在主軸（zhóu）上,且其軸心（xīn）線與主軸延長線重合。
本文采用電容測微儀測（cè）量主軸徑向運（yùn）動信息,電容（róng）測微儀可達到納米級準確度的位（wèi）移測量。基於三點法設計的夾具及電（diàn）容測微儀安（ān）裝的位置如圖1所示。
圖1 電容測微（wēi）儀安裝效果圖
3隻電容測微儀（yí）按照一定的角度固定（dìng）在夾具上,且電容測微儀到夾具圓心的位置可調；其中,電容測微儀的量程均為250μm,最小分辨力為0.01μm,絕對誤差≤±0.05%。采用外基準測量的方法（fǎ）對主軸徑向運動信息進行測量,其中1# 電容測微儀與2# 電容測微儀之間的夾（jiá）角為90°,1# 電容測微（wēi）儀與3# 電容測微儀之（zhī）間的夾角（jiǎo）為157°,並（bìng）按圖中虛線箭頭所示建立直角坐標係。則3 隻電容測微儀輸出的位置信息可表示為
去掉（diào）式(1)~式（shì）(3)中的直流分量（liàng）,再利用三點法誤差分離算法即可求出主軸回轉（zhuǎn）誤（wù）差。
2.測試係統軟硬件設計
2.1 測（cè）試（shì）係統（tǒng）硬件設計
由（yóu）式(1)~式(3)可以看出,為在機（jī）床不同轉速下（xià）在線分離主軸回轉誤（wù）差（chà）,必須在主（zhǔ）軸轉動過程中對主軸徑向運動信息進行（háng）等（děng）角度采樣；這樣（yàng）才（cái）能保證在（zài）不同轉速下,每圈對主軸徑（jìng）向運動信（xìn）息的采（cǎi）樣點數一致。為此,本文將機床主軸光柵A 脈衝（chōng）信號（hào）k 次分頻後作為數據（jù）采集時（shí）鍾信號,由於光柵A 脈（mò）衝（chōng）頻率的高低（dī）與（yǔ）主軸轉速對應；因此,即（jí）使在機床轉速存在一定偏差的（de）情況下也可（kě）以保證每圈采樣的點數相同。同時,利用光（guāng）柵Z 脈（mò）衝作為采樣起始觸發信號,即可保證每次采樣的（de）初（chū）相（xiàng）位一致。測（cè）試係統硬（yìng）件結構（gòu）如圖（tú）2 所示,將光柵的Z 脈
圖2 硬件結構圖
衝信號通過整形電路變（biàn）換為建立時間和保持時間均滿足觸（chù）發脈衝要（yào）求的信（xìn）號,送（sòng）入PXI 多功能同步數采卡的PFI0 外部觸發源輸（shū）入口,作為測試任務的信號采集起點時刻。同時,將光柵的A 相脈衝信號經k 次分頻後送入數采卡的PFI1 作為采樣時鍾（zhōng）,其中分頻係數k 由（yóu）每圈采集的點數確定。3 隻電容測微儀的輸出信號經調理後送入采集卡AI 端口。
2.2 測試係統軟（ruǎn）件設計
利用三點法進行主軸回轉誤差測試的軟件設計,主（zhǔ）要解決數據采（cǎi）集、預處理、誤差分離算法具體實現等問題,主要功（gōng）能模塊與流程設計如圖3 所示。
圖3 軟（ruǎn）件功能模塊與數（shù）據流
圖中,參數設置主要包括每圈采樣點數N、采樣圈數M、采樣模式等。采集控製主要包括數據采集任務與計（jì）數器計數任務的同步控製、數據采集與數據存儲的線程（chéng）運行（háng）控製,確保測試（shì）時係統穩定不丟失采樣點。數據緩存是在（zài）程序（xù）中開（kāi）辟動態內（nèi）存,並通過多線程的合理設計,將多幀數據按時序緩存,為後續數據分析奠定（dìng）基礎。
圖4 安裝後的夾具（jù）
在主軸回（huí）轉誤差的動（dòng）態測試過程中（zhōng）,測試數據主要包括測試係統（tǒng）硬件本身引入的（de）隨機誤差和主軸的表麵粗糙（cāo）度引起的誤差,這兩種誤差雖（suī）然很小,但卻會（huì）影響（xiǎng）最終係統的測試準確度,不能忽視。對此,采用多圈數據平均消除隨機誤差,然（rán）後去掉信號中的直流（liú）分量即可得到主軸徑向運動信息。最後利用三點法誤差分離算法（fǎ）計算回轉誤差（chà）。所有模塊都在LabVIEW 環境（jìng）下編程（chéng）實現。
3.實驗結果分析
將圖1 所示夾具套在標準（zhǔn）球外,如圖4 所示,然後調節（jiē）電容（róng）測微儀到標準球（qiú）的初始距離(一般在電容測微儀量程的50%左右),安（ān）裝（zhuāng）完成後即可對機床主軸回轉誤差進行在線測試（shì）。
分別在30r/min 和60r/min 的轉速下,對機床的回轉誤差（chà）進行在線測試。設每隻（zhī）電容（róng）測（cè）微儀每（měi）圈采
圖5 主軸（zhóu）原始回轉曲線
圖6 原始曲線經處理後數據
圖7 分離後的回轉（zhuǎn）誤差與圓度誤差
集的點數為1250、每次測量時采集5 圈主軸回轉（zhuǎn）數據, 在30r/min 轉速下電容測微儀所（suǒ）測主軸原始徑向（xiàng）運動信（xìn）息如圖5 所示。從圖中可以看出,原始（shǐ）信號（hào）中包（bāo）含由於安裝偏心差帶來的一階諧波和隨（suí）機噪聲
帶來的高次諧波,采用多圈（quān）點對點平均的方法可以有效消除（chú）隨機噪聲的幹擾[10]。實（shí）際每圈采樣點數為20 000 個,這是由現場電池幹擾造成的；為了得到每圈1250 個點（diǎn）的主軸運動信息,在（zài）原始數據中每隔7 個點提（tí）取一個有效（xiào）數據點,然後對（duì）5 圈（quān）數據點對點平均,再除去數據中的直（zhí）流分量後得到（dào）如（rú）圖6所示的波形（xíng）。
從圖可以看出,經過處理後的數據較為平滑,其一階諧波分量較大,為（wéi）安（ān）裝標準球時的偏心差。根據文獻（xiàn）[1],主（zhǔ）軸的回轉誤（wù）差和圓度誤差主要集中在主軸運動信息的2~50 次（cì）諧波；因此（cǐ）,進行三點法誤差分離前（qián）,先利用傅裏葉變換方法將一次諧波和50 次以上諧波濾除,再利用三點法誤（wù）差分（fèn）離算法（fǎ）[9-10]分離後的圓度誤差和回轉誤差如圖7 所示。由圖（tú）可知,該機床的回（huí）轉誤差在±1.5 μm 以內,標準（zhǔn）球圓度誤差在±1μm以內,不同轉速下得到的結果基本一致,且測（cè）試結果與機床指標相符。
4.結束語
本（běn）文針對機床主軸回轉誤差的高準確度在線測（cè）試問題,設計了測量所需的標準（zhǔn）球和夾具,基於LabVIEW和PXI 總線搭建了（le）測試係統,設計了係統的軟硬件（jiàn）。通過現場測試,本文設計的回轉誤（wù）差測試係統（tǒng）達到了在線亞微（wēi）米級測試,測試數據準確可靠。
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