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液體靜壓主軸回轉精度測試方法的研究

2017-3-29 來源：空軍勤務學院航空四站系作者：浮燕，李想，王輝

摘要：在分析現(xiàn)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”測得主軸回轉誤差，采用“垂直布置兩點法”在主軸軸頸上定點采樣，從采樣數(shù)據(jù)中減去對應位置的主軸回轉誤差，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“垂直布置兩點法”在主軸上定點采樣，從實時采樣數(shù)據(jù)中減去第一步測得的主軸圓度誤差，最終得出主軸加工條件下的動態(tài)回轉誤差。結果表明：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；回轉精度；二點法；誤差分離

0.前言

回轉精度是衡量超精密機床主軸的關鍵技術指標，是影響機床加工誤差的重要因素。文中以高速精密機床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運動的重復性很好，以同步誤差為主，異步誤差近似為正態(tài)分布噪聲，可采用多個采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軸回轉精度。主軸加工條件下，機床主軸回轉誤差運動受供油壓力、脈動轉矩等動力學因素及環(huán)境噪聲等隨機因素的影響，往往表現(xiàn)出較強的非周期性、非平穩(wěn)特性，傳統(tǒng)的主軸回轉誤差測試技術不再適用，需要尋找更合適的數(shù)據(jù)處理和分析方法。

1.主軸回轉軸線和回轉誤差的定義

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(jù)“cIRP統(tǒng)一文件”規(guī)定，主軸回轉軸線是指主軸繞其轉動的直線，該直線與主軸固定連接，并與主軸一同相對于另一條稱為軸線平均線的直線做軸向、徑向和角度運動，軸線平均線是固定不動的，它處于回轉軸線的平均位置上‘¨。主軸實際回轉軸線相對于其理想回轉軸線的位置變動，被定義為主軸回轉誤差，其基本運動形式如圖1所示。

圖1 主軸回轉誤差運動示意圖

2.現(xiàn)有主軸回轉精度測試方法

2．1傳統(tǒng)測試方法

2．1．1單點法

單點法使用一個傳感器在被測截面的一個方向上獲取數(shù)據(jù)，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與被測截面形狀誤差的疊加。

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器在被測截面的兩個方向獲取數(shù)據(jù)，通過合成兩組數(shù)據(jù)，在平面內刻畫主軸軸心軌跡。該方法不能實現(xiàn)誤差分離，多在被測截面形狀誤差遠小于主軸回轉誤差測試條件下使用。

此外，伍良生教授等口1開發(fā)了一種數(shù)理統(tǒng)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進行測量，結合了高速高精度主軸的特點及主軸軸心運動的統(tǒng)計規(guī)律特性，運用數(shù)學統(tǒng)計理論實現(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，它使用一個傳感器在被測截面的兩個相反方向上獲取數(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(shù)值s。(p)，然后軸系不動，標準球和傳感器各自相對于軸系轉動1800，再進行第二次測量，得到反向后讀數(shù)值S：(p)。其中|s。(p)和S：(口)均包含被測截面形狀誤差和主軸回轉誤差，并有如下關系：

在理想測試條件下，反向法能夠實現(xiàn)誤差分離，得出主軸回轉誤差在傳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高。

2．1．4對稱布置式兩點法

對稱布置式兩點法㈨使用兩個對稱布置的傳感器在被測截面的兩個相反方向上獲取數(shù)據(jù)，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，可求出第l，2，?，n一1點的結果。對稱布置式兩點法多在主軸回轉誤差以偶數(shù)次諧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向上的分量。

2．1．5傳統(tǒng)三點法圓度誤差分離方法

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

圖4 傳統(tǒng)三點法原理圖

為主軸回轉中心，D為3個傳感器A、B、c軸線的交點，且。處于o’的平均位置上，a、JB為傳感器安裝角，．s(p)為被測截面形狀誤差，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，傳感器在被測截面上均角采樣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(tǒng)三點法能夠實現(xiàn)誤差分離，測試快捷，滿足實時在線測量要求，但存在原理誤差，對傳感器的安裝定位精度要求較高。萬德安、劉海江哺1在傳統(tǒng)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轉誤差的各次諧波分量j洪邁生、鄧宗煌等門1提出了精確的時域三點法圓度誤差分離方法，該方法基于誤差分離技術的原則，僅需在時域上直接對實測數(shù)據(jù)按簡便代數(shù)式進行遞推即可進行分離運算，因而更為方便，實時性也更強，但是，初值問題會影響時域三點法的分離精度。

3.兩點法主軸回轉精度測試方法

以高速精密機床廣泛采用的液體懸浮式主軸為研究對象，測試其加工條件下的主軸回轉精度。非加工條件下，流體懸浮主軸回轉誤差運動的重復性很好，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，流體懸浮主軸回轉誤差運動受供油壓力、脈動轉矩等動力學因素及環(huán)境噪聲等隨機因素的影響，往往表現(xiàn)出較強的非周期性、非平穩(wěn)特性¨1，傳統(tǒng)的主軸回轉精度測試方法不再適用。文中提出一種簡便、準確的兩點法主軸回轉精度測試方法，有效地解決了這一問題。

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準球上采樣，如圖5所示。忽略標準球的形狀誤差，通過濾除基波消除偏心誤差，通過取多周采樣數(shù)據(jù)的平均值消除隨機誤差，得到空載條件下的主軸回轉誤差。

圖5標準球測試法

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在主軸軸頸上嚴格定點采樣，如圖6所示。通過濾除基波消除偏心誤差，通過取多周采樣數(shù)據(jù)的平均值消除隨機誤差。從采樣數(shù)據(jù)中減去第一步測得的對應采樣位置上的主軸回轉誤差值，得出主軸被測截面圓度誤差。

圖6兩點測試法

最后，在加工條件下，利用第二步安裝好的“垂直布置兩點法”在主軸上嚴格定點采樣，從實時采樣數(shù)據(jù)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(tài)回轉誤差。

4.實驗研究

被測對象為自主開發(fā)的35 kW／6 000 r／IIlin超高速磨削電機內置式液體懸浮電主軸試驗臺，如圖7所示。

圖7超高速磨削電機內置式液體懸浮電主軸

測試系統(tǒng)采用美國雄獅精儀公司的CPLl90回轉測量儀，如圖8所示。

圖8主軸回轉精度測試系統(tǒng)

CPLl90回轉測量儀利用兩個垂直布置的傳感器實現(xiàn)主軸徑向回轉誤差的兩點法測量，忽略了標準球的形狀誤差，并通過濾除基波消除偏心誤差，其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回轉測量儀的硬件系統(tǒng)，即可實現(xiàn)兩點主軸回轉精度測試方法。

4．1 非加工條件下主軸回轉誤差測量

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，主軸此時的誤差運動主要由軸系的結構因素確定，以周期性成分為主。

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主軸回轉誤差圖

然后，利用兩點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誤差的影響。從采樣數(shù)據(jù)中減去第一步測得的主軸回轉誤差，得到主軸被測截面圓度誤差，如圖10所示。

圖10主軸被測截面圓度誤差

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(xù)調節(jié)變頻器的頻率，增加電機的轉矩脈動，模擬主軸受動力學因素等隨機因素的影響情況。采用兩點法在主軸軸頸上直接采樣，利用CPLl90回轉測量儀上的編碼盤，確保主軸被測截面上的采樣點始終不變。從采樣數(shù)據(jù)中減去之前得到的主軸被測截面圓度誤差，即可得到加工條件下的主軸回轉誤差，如圖1l和圖12所示。