（机械电子工程专业论文）机床几何精度测量系统的研制.pdf

机床几何精度测量系统的研制中国科学技术大学t i j i ：1 ：学位论文 摘要 机械加工中，工件相对于刀具的各种成形运动一般是由机床来完成，零件的 加工精度在很大程度上取决于机床的精度。从获得零件精度所需的成形运动的角 度来看，在加工时，影响工件加工精度的主要因素是：机床主轴的回转精度、直 线运动精度等几何精度。 从主运动的角度来看，机床主轴的回转误差运动是影响机床d h - r - 精度的重要 因素之一，它直接影响被加工零件的几何形状精度和表面粗糙度。通过测量回转 轴误差运动可以评价机床主轴的工作精度；预测机床在正常加工条件下所能达到 的最小形状误差和粗糙度；可以分析、判断产生加工误差的原因。因此，如何测 量机床主轴的回转精度，提高现有机床的加工精度越来越受到人们的重视。 从进给运动的角度来看，机床直动部件的直线运动将直接影响机床运动部件 的运动精度，进而影响加工工件的精度。通过测量直线运动误差，可以较好的分 析、判断产生加工误差的原因，对此误差的测量具有实际意义。 本论文在充分调研分析的基础上，根据机床主轴回转误差和机床运动部件的 直线运动误差测量原理和方法的不同，研制完成了两套实验系统。 机床主轴回转精度实验系统为一套动态测量系统，主要包括主轴回转误差的 动态采集、数据处理和实验系统软件界面等；同时，通过硬件系统的设计和误差 的频谱分析，初步得到了影响回转精度的主要因素。 直线运动误差测量实验系统是在以光电自准直仪和直线度测量方法为基础， 通过对影响直线运动方向精度的因素分析，给出了一种适用的直线运动方向精度 测量的原理方法；并利用计算机辅助技术实现了直线运动控制和数据采集、处理 的一体化。 本论文的工作，通过对两个实验系统的研制和实验分析，为计算机辅助测试 在工程实践中的应用提供了基础。 关键词：机床几何精度、数据采集、主轴回转误差、直线运动误差 叭睐八阿惜度测量系统的制中困利学技术人学坝卜学位论义 a b s t r a c t t i l ei l l o v n l e n to ft a k i l l gs h a p eb e t w e e nw o i k p i e c ea n dc u t l e l i sc o m p l e t e db 3 ，l a t h ei n m a c h i n i n gp r o c e s s s ot h ep l e c i s i o no fm a c h i n i n gl i e0 | 3t h ep 1 e c i s i o no fl a t h e a tt h ep o i n to ft h e f i g m a t i o nm o v e n q e n t t h ep l e c i s i o no f1 u n n i n gp l i n c i p a la x i s 、a n dt h ep 1 1 e c i s i o no fg u i d er a i l sa l e t h em o s ti m p o i 。t a n tr e a s o n st h a te f f e c tt h ep i e c i s i o no fw o i k p i e c e s a tt h ep o i n to ft h em a i ni n o v e n 3 e n t t h ep l e c i s i o no f r u n n i n gp l i n c i p a la x i si so n eo ft h e m o s ti m p o l r a n tr e a s o n st h a te f f e c tt h e p l e c i s i o n o f m a c h i n i n gw h i c he f f e c t t h es h a p eo f w o i k p i e c e sa n dt h e1 o u g h n e s so ft h es i l l f a c eo fw o i k p i e c e s b yi n e a s u l i n gt h ep r e c i s i o no fr u n n i n g p i i n c i p a la x i sw ec a np o i n to u tt h ep r e c i s i o no fl a t h e ，f o i e s e et h ei d e a l l e v e lo ft h ep l e c i s i o no ft h e m a c h i n i n g ，a n df i n do u tt h ef a c t 0 1 st h a ta r o u s et h ee l l 0 1 so fw o r k p i e c e s s oh o wt om e a s u r et h e p r e c i s i o no f r u n n i n gp t i n c i p a la x i si s l a i ds t o r eb ym a n yp e i s o n st oi m p r o v et h ep r e c i s i o no f a t h e o nt h eo t h e l s i d e ，a tt h ep o i n to ft h ea d v a n c e m e n ta n dr e t r e a to fm o v e m e n t ，t h ep r e c i s i o no f g u i d er a i l sc a ne f f e c tt h ep r e c i s i o no ft h em o v m e n to ft h em o v i n gp a r to fl a t h ea n de f f e c tt h e p e l e c i s i o no fw 0 1 k p i e c ei n d i i e c t l y ，s oi tm a k es e n s et oi n e a s u l et h ep i e c i s i o no f g u i d er a t i s b a s e do ns u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o n sa n da n a l y s i s ，t w os e t so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m sh a v eb e e n a c c o m p l i s h e da c c o l d i n gt ot h ed i f f ej e n c eo fm e a s u r i n gp r i n c i p l e sa n dm e t h o d sb e t w e e nr o t a t i o n e l t o ro f p r i n c i p a la x i sa n ds t l a i g h t l i n em o t i o na c c u r a c yo fr u n n i n gp a r t so f m a c h i n et o o e x p e r i m e n t a ls y s t e mr e f e r r i n gt or o t a t i o ne l l o ro fm a c h i n et o o lm a i na r b o r si sas e to f d y n a m i cn l e a s l i r e n l e n ts y s t e m ，w h i c hm a i n l yi n c h l d e sd y n a m i cc o l l e c t i o n so fr o t a t i o ne r r o r , d a t a p i o c e s s i n g ，s o f t w m l eo fe x p e l i m e n t a ls y s t e m ，a n d s oo n m a j o rf a c t or s d e t e r m i n i n gr o t a t i o n a c c u l a c ya l eo b t a i n e dp l e l i m i n m yb yd e s i g no f h a l d w a i es y s t e ma n ds p e c t r u ma n a l y s i so f e r r o r m e a s u r e m e n t s y s t e mo fs t r a i g h t l i n em o t i o na c c l l l a c y i sb a s e do n p h o t o e l e c t r i c a u t o c o l l i m a t 0 1 a n di n e a s l l l e l n e n tm e t h o d so f d e g t e e o fs t i l a i g h t l i n e t h r o u g ha n a l y s i so f i n f l u e n c i n gf a c t o l so ds t i a i g h t l i n em o t i o na c e t l l a c 3 7 j ak i n do fp l i n c i p l ea n dm e t h o ds u i t a b l et o m e a s u l e l n e n to fs t r a i g h t li n em o t i o na c c u l a c yi s a c q u i i e d t o g e t h e rw i t ha c h i e v e m e n to fc o n t l o lo f s t i a i g h t l i n em o t i o n ，d a t ac o ll e c t i o na n dp r o c e s s i n gs i m u l t a n e o u s l y i nt i l t s p a p m ，t h em a i nw o r ki st h a t t h ed e v e l o p m e n to ft w oe x p e r i m e n t a l s y s t e m sa n d e x p e l i n l e n t a la n a l 3 7 s i sb e n e f i tt h ea p l ) l i c a t i o n so f c a ti ne n g i n e e l i n gp l a c t i c e k e y w o l d s ：t h eg e o i n e t l i cp r e c i s i o no fm a c h i n et o o l d a t ac o l l e c t i o n t h ep l e c i s i o no fr u n n i n gp r i n c i p a la x i s s t l a i g h t l i n em o t i o na c c u r a c y 机床几何精度测量系统的研制 中国科学技术大学硕：卜学位论文 第一章综述 1 1 机床几何精度概述 1 1 1 机床几何精度的基本概念 机床几何精度是指机床各部件之间相互位置精度和主要零件的形状精度、位 置精度。机械加工中，工件相对于刀具的各种成形运动一般是由机床来完成，零 件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床的几何精度对加工零件的几 何精度有直接影响。对于通用机床，国家已制定了检验标准，规定了检验项目、 方法和判断标准。机床的几何精度主要包括回转运动精度、直线运动精度和机床 传动链精度等几个方面。 机床按其精度等级可分为普通级和精密级。检验项目一般在3 0 项以上，其 细目及检验条件、方法在标准中均有明确规定。一台机床全项验收工作是比较复 杂的一般需要使用如激光干涉仪、三座标测量机等大型高精度仪器，对机床的机 械、电器、液压、气动、微机控制等各部分及整机运行性能检测实验，最后得出 对该机的综合技术评价： ( 1 ) 几何精度：包括综合反映主轴和工作台的相关和相互位置精度、主轴径 跳、端面跳动( 窜动) 、工作台平面度、回转精度等。 ( 2 ) 机床定位、重复定位精度：即工作台或主轴运动位置，回转角度的设定 值与实际值( 实测值) 之差或多次测量差值的均值，它是反映机床的控制、差补精 度和机床自身设定的综合指标。 ( 3 ) 工作精度：是指对代表性工件精加工尺寸进行检验，尺寸精度是对机床 几何精度、定位精度在一定切削和加工条件下的综合考核。 1 1 2 机床几何精度测量的意义 机床是对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形 状、尺寸精度和表面质量的机器。机械产品的零件通常都是用机床加工出来的。 机床是制造机器的机器，也是能制造机床本身的机器，这是机床区别于其他机器 的主要特点，故机床又称为工作母机或工具机。 由于精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，人们对机床的加 工精度提出了更高的要求。随着对机床几何精度研究的日益的深入与广泛，人们 对机床几何精度误差有了更深和更全面的认识。提高机床加工精度的前提是提高 机床的几何精度。因此，机床几何精度的测量就具有极其重要的实际意义。 机床主轴的回转误差运动是影响机床加工精度的重要因素之一，它直接影响 机床几何精度测量系统的研制 中国科学技术大学硕：i j 学位论文 被加工零件的几何形状精度和表面粗糙度。通过测量回转轴误差运动可以评价机 床主轴的工作精度；预测机床在正常加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙 度；可以分析、判断产生加工误差的原因。因此，机床主轴的回转精度的测量， 对提高现有机床的加工精度具有及其重要的意义，将越来越受到人们的高度重 视。机床运动部件的直线运动误差直接影响机床运动部件的运动精度，进而影响 加工工件的精度，对此误差的测量具有实际意义。 随着计算机技术和测量技术的发展与应用，计算机处理测量中的采样及数据 处理问题快捷而准确，计算机辅助机床几何精度测量的研究也越来越受到人们的 高度重视。 1 1 3 机床几何精度测量的研究现状 目前，国内外对机床几何精度( 主轴回转精度、直线运动精度) 测量的方法 主要有： ( 1 ) 主轴回转精度的静态测量法、动态测量法 静态测量法主要采用表测法，这种方法比较简单可行，但其缺点明显；动态 测量法又根据误差敏感方向的不同，分为单向测量法和双向测量法。在主轴回转 精度测量方面，现阶段常用来测量的方法在主轴端粘结一个精密圆球，在测量球 的周围相互垂直地安装两个位移传感器，传感器和测量球间保持一定的间隙；当 主轴旋转时，由于轴心线漂移引起测量间隙产生微小的变化，传感器就发生信号 来进行测量。但是，在主轴回转精度的测量方面，目前都没有解决好均匀采样的 问题，即没有排除机床转速不均匀对测量的影响。 ( 2 ) 直线运动精度的双频激光干涉法、电感法、激光基准法 在直线运动精度的测量方面，现阶段主要理想的测量方法是利用双频激光干 涉仪来进行测量。而利用双频激光干涉仪来进行直动部件的直线运动精度的测量 时，1 7 1 前仍然无法分别测量直线运动误差的五个方向误差大小，它只能测量五个 方向误差的综合效果，且这种实验仪器具有价格昂贵的特点。电感法测量直线运 动误差时，受距离的影响较大，对较长距离测量误差较大。 1 2 计算机辅助测试技术的概况 1 2 1 概述 计算机辅助测试口1 ( c o m p u t e r a i d e dt e s t ) ，简称c a t ，是计算机技术与原 有的测试技术相互渗透、融合而产生的一门新兴技术学科，是将温度、压力、流 量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或 打印的过程。相应的系统称为计算机辅助测试系统。 机床几何精度测量系统的研制 中国科学技术大学_ f o i 3 1 ：学位论文 计算机辅助测试系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算 机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不向的需要由计算机进行相应的计 算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印， 以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制 系统用来控制某些物理量。 由于计算机对信号采集和处理具有速度快、信息量大、储存方便等传统测试 方法不能比拟的优点，计算机辅助测试系统迅速地得到发展与应用。c a t 可以解 决传统测试不能解决的问题。传统测试系统只能对静态参量或极缓慢变化的参量 进行测量，对于动态参量，特别是快速过程只能借助图形记录分析。而在计算机 控制下，通过高速数据采集对动态参量可以很好的进行测试和分析。c a t 的突 出优点表现在其软件功能上：用软件资源提高了测试的准确性、可靠性、经济性， 而且投资小、收效大、性价比好；在不改变硬件的情况下，改变软件可使测试系 统用于不同的对象，使测试系统具有通用性，适合多品种、小批量的生产。由于 c a t 的多种功能和突出优势，在生产和科研中的应用日益广泛。 在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记 录，还可为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用计算 机辅助测试系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有用工具，也是 获取科学奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，计算机辅助测试 与处理越及时，工作效率越高，取得的经济效益就越大。 尽管计算机辅助测试系统有不同类型，但就其共性来说，一般包括硬件及软 件两大部分。软件部分除了具有必要的计算机操作系统软件外，还应主要包括信 号的采集、处理与分析等功能模块软件。硬件部分主要包括有： ( 1 ) 信号调理多路转换器、可调增益放大器、抗混淆滤波器； ( 2 ) 采样保持采样保持器( s h ) ； ( 3 ) 模数转换a d 转换器( a d c ) ，v f 变换器； ( 4 ) 其它：定时计数器、总线接口电路等。 图1 2 1计算机辅助测试典型组成 口 一田一 机床几何精度测量系统的研制 中国科学技术大学硕二l j 学位论义 除了上述构成微处理器或p c 机的前向通道的各单元外，有时计算机辅助测 试系统还设置有数据输出的后向通道，其主要器件是数模转换器( d a ) ，它的 功能是将p c 输出的数字量转换为模拟量输出。这种测试系统中含有a d 、d a 数据采集卡，可直接插入i b m p ca t 总线兼容的计算机内任一总线扩展槽中， 构成各种智能化、虚拟集成化测量仪器系统。计算机辅助测试系统的典型组成 如图1 2 1 所示。 1 2 2 计算机辅助测试技术的发展 传统的测试系统是由传感器或某些仪表获得信号，再由专门的测试仪器对信 号进行分析处理而获得有用和有限的信息。随着计算机技术的发展。测试系统中 也越来越多地融人了计算机技术，出现了以计算机为中心的自动测试系统。这种 系统既能实现对信号的检测，又能对所获得信号进行分析处理以求得有用信息。 因而称其为计算机辅助测试技术。 计算机辅助测试技术的发展主要体现在测试系统硬件的发展以及专门用于 开发实验仪器系统或所谓“虚拟仪器”的软件环境的发展： 1 2 2 1 硬件的发展 计算机辅助测试系统硬件经历了基本型、闭环控制型与标准接口型三个发展 阶段。 ( a ) 基本型是计算机辅助测试系统的基本形式。它能完成对多点、多种随时 问变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、信号分析， 由测得的信号求出与研究对象有关的信息或给出其状态的判别。 ( b ) 闭环控制型是指应用于闭环控制系统中的测试系统。生产工艺过程的 自动控制是人们长期探索的生产方式，但是，只有在计算机技术及现代测试技术 突飞猛进的今天，才能达到高度的控制水平。通过对关键参数实时在线检测并控 制这些参数按预定的规律变化，来达到维持生产的正常进行和达到高产优质的目 的。 ( c ) 标准通用接口型测试系统的结构形式可分为专用接口型和标准通用接 口型。专用接口型是将一些具有一定功能的模块相互连接而成。由于各模块千差 万别，织成系统时相互间接口十分麻烦，而且模块是系统不可分割的一部分，不 能单独使用，缺乏灵活性近年来随着计算机技术和仪器控制技术的发展。特别 是仪器和计算机及其他控制设备之间连接的规范化，形成了标准通用接口，标准 通用接1 2 1 型测试系统也是由模块( 如台式仪器或插件板) 组合而成，所有模块的对 外接口都按规定标准设计；组成系统时，若模块是台式仪器，用标准的无源电缆 将各模块接插连接起来就构成系统。若模块为插件板，只要将各插件板插入标准 ； ! j i 床几何精度测量系统的研制中国科学技术大学硕：i j 学位论文 机箱即可。 1 2 2 2 软件的发展 一般说来，将数据采集卡插入计算机卡槽中，利用软件在屏幕上生成某种仪 器的虚拟面板，在软件导引下进行采集、运算、分析和处理，实现仪器功能并完 成测试的全过程，这就是虚拟仪器，即由数据采集卡与计算机组成仪器通用硬件 平台，在此平台基础上调用测试软件完成某种功能的测试仟务，便构成该种功能 的测量仪器，成为具有虚拟面板的虚拟仪器。在同一平台上，调用不向的测试软 件就可构成不同功能的虚拟仪器。故可方便地将多种测试功能集于一体，实现多 功能仪器。如对采集的数据通过测试软件进行标定和数据点的显示就构成一台数 字存储示波器；若对采集的数据利用软件进一j t f f t 变换。则构成一台频谱分析仪。 软件技术对于现代测试系统的重要性，表明计算机技术在现代测试系统中的 重要地位。但不能认为，掌握了计算机技术就等于掌握了测试技术。这是因为， 其一，计算机软件永远不能完全取代测试系统的硬件；其二，不懂得测试系统的 基本原理不可能正确地组建测试系统，不可能正确应用计算机进行测试，一个专 门的程序设计者，可以熟练而巧妙地编制科学计算的程序，但若不懂测试技术则 根本无法编制测试程序。因此，现代测试技术既要求测试人员熟练掌握计算机应 用技术，更要牢固掌握测试技术的基本理论和方法。 1 3 几何精度测量的数据处理技术 1 3 1 数据采集基础 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生 产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机辅助测控技术发挥着越来越重要 的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的。要将 这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量 化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。它是计算机在监测、管理和 控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也 可以是化学量、生物体特征量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调 理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录 的过程。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它 对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集及处理的成 套设备称为数据采集及处理系统。图1 3 1 就是一个典型的数据采集以及处理系 机床几何精度测量系统的研制中国科学技术大学硕二卜学位论文 统。 fv 1 u r 、f vu 、uuu采样量化 1 1 0 1 数字信号 1 1 0 1 模拟重建 l l 模拟输入 处理 模拟输出 数字输入 数字输出 图1 3 1一个典型的数据米集及处理系统 数据采集及处理系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途 径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建 设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数 据采集技术将有广阔的发展前景。 数据采集及处理系统追求的最主要目标有三个：一是精度，二是速度，三是 实时性。对任何量的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提 高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适 用范围，便于实现动态测试；随着科学技术的飞速发展，对数据处理的实时性要 求也越来越高。例如在实时控制系统中，必然要求对测量数据实时处理。又如在 新型飞机试飞中，如能实现对某些关键数据的实时处理与监测，就能在这些数据 发生异常变化时及时发现并采取相关措施，以避免机毁人亡的重大事故发生。可 见实时处理数据意义是很大的。 现代数据采集系统具有如下主要特点： ( 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等 大为提高节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统， 可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要， 对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来 越小，单片数据采集系统也日益广泛应用。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术它对数据采集系统结 构的发展起着重要作用。 数据采集与处理技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处 理技术和计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。近年来，一个重要的发展 机床几何精度测量系统的研制 中国科学技术大学硕二 学位论文 趋势是通过信号的测量( 数据采集) 、处理、控制与管理实现测、处、控、管一体 化。一些新技术，如光纤技术、超导技术、人工智能等也在数据采集与处理中得 到了应用。 随着科学技术的发展和数据采集与处理系统的广泛应用，人们对数据采集系 统的主要技术指标，如通过速率、分辨率、精度、输入电压范围以及抗干扰能力 等方面，都提出了越来越高的要求。尤其是通过速率，这是数据采集与处理设计 者与使用者都十分关心的一项重要技术指标。 1 3 2a d 转换技术 在过程控制及各种智能仪器仪表中多由计算机实时控制及实时数据处理，计 算机所加工的信息总是数字量，而被检测的对象往往是一些连续变化的模拟量。 模拟量是表示各种实际模拟现象的物理量。这些量可以是电量，也可以是传感器 的非电量。因此必须将这些模拟量转换成数字量，以便送入计算机进行处理，这 个过程就叫模数转换( a d 转换) 。由于a d 转换器的作用是将模拟信号转换成 数字量，而模拟信号是一种幅度以及时间上都是连续的信号，数字信号是一种幅 度以及时间上都是离散的信号，因此要将模拟信号转换成数字信号就需要完成这 两个方面的转换。首先是将时间进行离散化处理，完成这一步是通过取样来实现 的，另一步就是通过量化来实现，实际上可以分为：取样、保持、量化、编码四 个过程。 取样是将一个时间上连续的模拟信号转换成时间上离散变化的信号。具体来 说，就是将随时间连续变化的信号转换成一串脉冲，并且其幅度取决于输入的模 拟量( 如图1 3 2 所示) ，如果取样频率较低，其输出的波形将不能严格保留信 号的信息，如果取样频率较高，其转换的输出域输入波形形状能做到较好的一致。 困 i lp f ，芒， 图1 3 2 采样原理 村l 床几何精度测量系统的研制中国科学技术人学颂。i 。j 学位论文 保持就是在a d 转换期间，应保持a d 转换器的输入信号值不变，以免a d 转换的输出发生差错。这种保持a d 转换器转换期间输入信号不变的电路，称为 保持电路。在a d 转换过程中，g h 电路对保证a d 转换的精确度有着重要的作 用。 取样一量化后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它的取样信号取值是 任意的，而数字信号的取值是有限的或离散的，如用四位二进制来表示，只有 0 0 0 0 - 111 1 共1 6 种状态，因此要实现幅度数字化就是利用具体的数字量来近似 表示对应的模拟值，这个过程就是量化。量化的结果为了不同目的其输出的格式 不同，即输出编码的形式不同，这就需要进一步编码，因此编码就是将量化的结 果转换成需要的编码形式。 1 4 本论文的主要研究内容及意义 本论文的主要内容是研制出一套计算机辅助机床几何精度测量系统，该系统 能够测出机床主轴的回转精度以及机床直行部件的直线运动精度。同时，该研究 内容也是学校“9 8 5 教学基金”支持的教学实验系统。 本系统从教学实验的角度出发，研究了机床几何精度的测量方法，分析了测 量原理并结合本实验室的实际情况提出了自己的测量方法；系统的硬件部分主要 包括各种仪器的选择、搭接和调试。系统的软件部分主要包括利用v i s u mb a s i c 语言完成了实验面板的设计，实现了数据的采集及保存，并进行处理，输出结果 和图形。 测量是加工中的重要组成部分，加工的精度要依靠测量精度来保证。高精度 测量只要满足1 3 原则即可。由于技术发展特别是尖端技术发展，要求加工精度 不断提高，这就需要更高的测量精度，使测量技术面临新的挑战。 由于实际使用的需要，不仅对机械零件的尺寸精度有一定要求，而且对零件 的形状精度也有一定的要求。机床的发展和完善为解决复杂零件的形状加工创造 了良好的条件，相应地要求对机床的几何精度检测提供技术保证。 机床各主要部件的尺寸、形状、相互位置和相对运动的精确程度，是衡量机 床质量的基本指标，机床的几何精度对加工零件的几何精度有直接影响，所以， 在机床生产中，要逐台进行整机的几何精度检验，以确保机床产品的质量。也只 有首先检验了机床的几何精度并合格以后，才能进行机床的其他性能检验，所以 机床几何精度检验既是保证加工零件精度的重要措施，又是机床性能实验的基 础，更是机床工业质量管理中的一个十分重要的环节。 机床几阿精度测量系统的研制 中国科学技术火学颂一卜学位论文 第二章主轴回转精度测量原理及分析 2 1 主轴回转精度的概述 主轴部件是机床重要组成部分之一。主轴部件的工作性能，对工件的加工质 量和机床生产率均有重要影响。机床主轴基本特性包括机床的主轴刚度、主轴回 转精度、热稳定性以及振动等。对于机床而言，主轴回转精度是影响机床性能的 重要特征之一。 2 1 1 主轴回转精度基本概念及分析 机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准 1 。它的误差直接影响着工件 的加工误差。对于主轴的要求，集中到一点，就是在运转的情况下它能保持轴心 线的位置稳定不变，也就是所谓的回转精度。主轴回转精度主要取决于主轴部件 的制造精度，在主轴部件中，由于存在着主轴轴颈的圆度误差，轴颈的同轴度误 差，轴承的误差，主轴的支承孔之间的同轴度误差以及支承端面对轴线的垂直度 误差等原因，主轴在回转的每一瞬时其轴线的空间位置都是变动的，即存在着回 转误差。主轴回转误差是由于主轴以及主轴的支承制造和装配中的误差引起的。 根据国际生产工程协会( c i r p ) 的统一文件中的规定，回转轴线的定义为： 即是“回转物体绕之而转动的线段，此线段和回转体固接并一起相对于另一条叫 做轴线平均线的线段作轴向的，径向的和倾角的运动。轴线平均线的线段是固定 在不回转的物体上，并处于回转轴线的平均位置上的线段”。在理解主轴回转精 度的概念之前，我们需要明确几个相关的基本概念： 理想回转中心：主轴回转时，其任一截面上只有一点的速度为零的点。 理想回转轴线：理想回转中心的连线。 瞬时回转中心：主轴在实际回转中，存在着的一个其位置时刻变化的回转中 心。 瞬时回转轴线：各截面瞬时回转中心的连线。 平均回转轴线：主轴在一转或数转内诸多瞬间回转轴线的平均轴线。 理想主轴回转轴线在空间的位置是固定不变的。然而由于各种误差的存在， 实际上由于主轴轴颈的圆度，前后轴颈之间的同轴度以及轴承的精度，主轴本身 在重力作用下的挠度，以及支承面对轴颈中心线的垂直度等等的存在主轴回转轴 线的位置是随时变动的。 机床几何精度测量系统的研制 中国科学技术大学硕= 卜学位论文 主轴回转精度的误差运动可以分解为如图2 1 1 所示的三种基本运动1 ：纯 径向运动、纯轴向运动和纯角度摆动。其中，纯径向运动与纯角度摆动合成为径 向运动；纯轴向运动与纯角度摆动合成为端面运动。 岳卜 ( a ) 径向跳动 一叟j 乞i i ( b ) 轴向跳动( c ) 摆动 图2 1 1主轴回转精度的表现形式 主轴上任一点的运动( 绝对运动) ，都可以分解为随同一截面内主轴实际回 转轴线对平均回转轴线的运动( 牵连运动) 和该点对实际回转轴线的相对运动。 实际回转轴线对平均回转轴线的位移运动改变了刀具和工件之间的相对位置，影 响了加工后的几何精度。切削点对于实际回转轴线的位移运动则影响了被) j n - r 表 面的粗糙度。主轴实际回转轴线对平均回转轴线的误差运动则称为主轴回转轴线 的误差运动。 于是可以得到回转精度( 误差) 的定义：主轴回转时，其某一与主轴轴线垂 直的平面内，瞬时回转中心与平均回转中心之间的距离的变化范围( 漂移量) 。 2 1 2 主轴跳动的产生原因 在主轴用滑动轴承的结构中，主轴是以轴颈在轴套内旋转的。如图2 1 2 所 示，在车床一类的机床上主轴的受力方向是一定的( 切削力的方向基本不变) ， 主轴轴颈被压向轴套表面一定的地方，轴套孔表面接触的地方几乎不变。这时主 轴轴颈的圆度误差将传递给工件，而轴套的误差对加工的影响较小。在镗床一类 a 车床类机床b 镗床类机床 图2 1 2 采用滑动轴承的影响 眦j 水j 1 阿精埂删量系靖的制 床上，作用在主轴上的切削力方向是随镗刀而旋转的，轴表面接触点几乎不变， 因此轴套孔的圆度误差将传递给工件，而与轴颈圆度误差的关系不大。在采用滑 动轴承的结构中，轴颈和轴套列一主轴跳动的作用的周期与主轴转动的周期是一致 的，可以表示为周期与主轴转动相同的个周期函数。 如图2 1 3 所示，在主轴采用滚动轴承的结构中，主轴的回转精度不仅取决 于滚动轴承本身的精度，而且很大程度上还和配合件( 对内环而言。是主轴轴颈， 对外环而言是箱体上的轴座t l ) 自9 精度有关。滚动轴承本身的回转精度取决于： 内外环滚道的圆度误差，内环的壁厚和滚动体的尺寸和圆度误差。在这些因素中， 内环滚道的误差通：过众多滚动体综合作用，直接作用在主轴上面，它对主轴的作 用如同上文的滑动轴承一样，也是周期同主轴转动周期一致的周期函数，可以表 示为一组以主轴转动频率为最小频率的一组谐波。与滑动轴承不同的是滚动体对 主轴转动的作用。 滚道 孔与滚遭不同轴滚遒不圆 滚动体不圆与尺寸差 图2 1 3 采川滚动轴承的影响 如图2 1 4 所示，在没有滑动的情况下，滚动体外部与轴承外圈接触，速度 为0 ，内部与轴承内圈滚道接触，速度与内圈滚道相同，计为v ，则滚动体中心 速度为v 2 ，可计算出滚动体滚动一周的周期t 为： 幽2 1 4 滚动体运动示意图 t = 2 7 r ( ri 。) ( 1 ，2 ) 22x ( 1 t r 沙o 衣几阿楷度测量系统的洲m i中因利学 ) - 4 t 人学顺1 j 学f , 2 论义 。o 为主轴转动的周期，即滚动体转动的周期略大于主轴转动周期的2 倍。 因此滚动体对主轴的作用是以t 为周期的周期函数，可以表示为： f ! 一b _ 十f 口，c o s i k 旷( k = 碥t ，髟，为各阶谐波系数) ，= f 综一l - ，单个轴承对主轴径向跳动的影响可以表示为： f = c 。十4 ，c o s i 妒t q - b ，c o s i k9 9 t - 厂( 妒) ，= 】，= l ( ( 1 。2 - 4 c ，+ b f l ，厂( 缈) 为其它因素对主轴的影响) 在主轴系统中，一般至少采用两个轴承，主轴的运动同时受主轴上各轴承的 影响，但安装在主轴不同位置的轴承对主轴运动的影响大小是不一致的。如果设 后端轴承对主轴的作用为，“，i i 段轴承对主轴的作用为，n ，结合图2 1 5 所示， 则两轴承对主轴的综合作用可以表示为： f 2 ( 上2 l i ) c - i - ( 1 - i - 2 l 1 ) e 图2 1 5 轴承对主轴的受力分析 由于i 订后轴承的大小不同，导致两个轴承的滚动体对主轴作用的周期不一 致，而且两个一般都不是另一个的整数倍，这样两个轴承对主轴的综合作用将不 是一个周期函数，主轴瞬时回转轴线任意一圈都是不重合的。在6 ，j 后支承处这些 误差综合起来就造成主轴轴，f l , 线的移动和摆动，在主轴每一转中都是变化的。但 在本实验中，l l 大致为l ! 的三倍，可知道前端轴承对主轴的作用是后端轴承的 4 倍，在精度要求不高的情况下可以只考虑前端轴承的影响。 至于主轴轴颈的精度，粗看起来好像关系不大。因为主轴轴颈是和轴承内环 装在一起旋转的，只要轴承内环的精度保证就可以了。其实不然，如果忽略了主 轴轴颈的精度的话，那么滚动轴承的内环制造的再精密也白费。要看到轴承内外 环是薄壁零件，受力后很容易变形，它安装到主轴轴颈时有一定的过盈量。因此 轴颈如果不圆，内环就会受力而变形，使内环的圆度下降。这样就破坏了轴承原 有的精度，导致主轴回转精度的下降。同样的道理轴承外环装到箱体的内孔中时， 若内孔不圆也会引起外滚道的变形。由此可见，滚动轴承的配合表面也是影响主 机床几何精度测量系统的研制中国科学技术大学坝= 卜学位论文 轴回转精度的重要因素。 2 1 3 主轴跳动对加工精度的影响 主轴的纯轴向窜动对于孔加工和外圆加工并没有影响，但在端面加工时却与 内外圆不垂直，主轴每转一周，就要沿轴向窜动一次，向前窜动的半周形成了右 螺旋面，向后的半周形成左螺旋面，图中细实线表示沿此线径向各点都是等高的。 但是端面对回转轴线不垂直度却随切削半径的减小而增大，最后切出了如同端面 凸轮一样的形状，而在端面中心形成一个凸台。在这种情况下车削螺纹，也必产 生单个螺距内的周期误差。 主轴的纯径向移动对车削和镗削的加工精度的影响是不同的，首先讨论支承 对主轴的作用中周期与主轴转动周期相同的分量对加工精度的影响。现在举一个 简单的特例来说明镗削时的情况，镗轴旋转，工件不转。 理想位置 l 实际位置 纯径向移动对车削圆度的影响 理想位置 l 一实际位置 纯径向移动对镗孔圆度的影响 图2 1 6 纯径向移动对圆度的影响 设由于主轴纯径向移动而使主轴几何轴线在y 坐标方向上作简谐直线运动， 其频率与主轴每秒钟的转数相同，振幅为a ，再设主轴中心偏移最大时，镗刀尖 正好通过水平位置1 。则当镗刀再转过一个中角时，刀尖轨迹的水平分量和垂直 分量各为： 】，= ac o s j + rc o s j3 口+ r ) c o s j z = r s i n j 南+ 吾2 公式是个椭圆方程式，即镗出的是椭圆形。同样也可以证明当主轴中心偏移 最大时镗刀的位置在别的位置的情况下，镗出的孔也成椭圆形。车削时主轴纯径 向移动对工件的圆度影响很小。仍假定主轴几何轴线缘y 轴作简谐直线运动，则 在工件1 处，切出的半径要比在2 、4 处切出的半径小一个振幅值a ，但在工件3 处却刚好相反，当点3 转到刀尖的位置l 时，主轴中心偏移到反方向，最大之q 机床几何精度测量系统的1 j j = 制中国科学技术大学硕二l ! ：”- 7 - 位论文 处，比2 、4 处大一个振幅值a 。这样，上述四点的工件直径都相等，而在其它 各点所形成的直径就只有二次小的误差，所以车削出的工件接近一个真实的圆。 当主轴纯径向移动沿z 坐标时，车削出的工件直径也只是二次小的误差。若主轴 几何轴线作纯偏心运动时，则无论车削或镗削表面接近一个半径为刀尖到平均回 转轴线的距离的圆( 不考虑切削力变化引起的动态误差) 。当主轴几何轴线具有 纯角度摆动时，有两种情况：一种是几何轴线相对于平均回转轴线在空问成一定 的锥角a 的圆锥轨迹，若沿平均轴线与之垂直的各个截面来看，等于几何轴心绕 平均轴心作偏心运动，各截面内的偏心量有所不同而已。如同前面分析的纯径向 偏心运动一样，在此无论车削或镗削都能获得一个圆柱形。另一种则是几何轴线 在某个平面内作纯角度摆动，也就是依c i r p 文件定义的，主轴的几何轴线在x y 平面内作简谐摆动，极限摆角是a ，其频率与主轴回转频率一致，沿平均轴线0 与之垂直的各个截面来看，车削表面是一个圆。以整体而论车削出来的是一个圆 柱，其半径等于刀尖到平均回转轴线0 的距离。 同样的纯角度摆动，在镗床加工时，其影响就和车削不一样。镗削内孔时， 其垂直于主轴回转平均轴线的各个截面都是椭圆，正如上文讨论的一样，就工件 内表面整体来说，镗削出来的是一个椭圆柱。 对于跳动中的其它与主轴转动周期不一致的频率分量的跳动对加工表面的 影响的形式是不尽相同的。 如由滚动体的影响产生的周期大约为主轴转动周期二倍的分量，产生的结果 则是在加工圆柱面刀具进给时相邻的加工轨迹交替出现高峰和低谷，增大了沿轴 向方向的粗糙度。 而对于跳动中的高阶分量则分别产生加工表面的圆度，波纹度和粗糙度，是 造成加工表面的形状误差的原因。 2 2 机床主轴回转误差测量方法分析 机床主轴的回转误差包括径向运动和端面运动。目前的测量方法主要分为静 态测量法和动态测量法。 2 2 1 静态测量法 目前，静态测量主要采用的是表测法1 ，如图2 2 1 所示：将一根标准精密 心棒插入主轴孔，在其外圆表面的两处以及端面打表。这种方法比较简单可行， 但是存在着两个主要缺点： 不能反映主轴在工作转速下的回转误差； 不能把性质不同的误差区分开。 机崃几阿精度测里重! 型! 竺型 ! 堕型兰些查叁兰堕土兰篁笙鉴 一_ ，一 随着对机床主轴回转精度要求的不断提高，就需要