（机械电子工程专业论文）主轴回转精度的测量方法研究.pdf

中国科学技术大学硕十毕业论文 中文内容摘要 在机械加工过程当中，影响加工精度的因素有很多，而其中机床主轴的回转 误差对工件加工精度影响较大。 现在比较成熟的主轴回转误差的测量方法包括单向测量法、反向法、三点 法、多点法等，都能取得比较好的测量效果。但是这些传统的测量方法一般是 用电容或电感涡流传感器对安装在主轴上的标准球进行单点或多点测量，采集 的数据包含主轴回转误差、标准球的安装偏心和形状误差三项，必须对数据进 行误差分离才能得到回转误差，现有的回转误差测量是建立在误差分离技术上 的，由于误差分离的不彻底，造成测量结果中包含有被测标准球的形状误差等 分量，测量精度受到很大的影响。 本文在充分研究了传统测量方法的原理及误差分离方法的基础上提出了一 种新的回转误差的测量方法直接法。它是在被测回转轴上安装一个或多个 发光点，用c c d 摄像机拍摄其随主轴回转运动的轨迹，用数字图像处理的方法 得到一系列发光点的位置，由此求得回转误差。这种测量方法不需要借助标准 球，可以对主轴回转误差进行直接的测量，因此无须进行误差分离，对数据的 处理也更加快速、准确。 c c df c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) 是近年来发展很快的一种图像 信息传感器，具有光电灵敏度高、测量装置简单及易予电脑处理等优点。由c c d 传感器、光学系统、信号采集与处理构成的c c d 光电非接触式测量系统的使用范 围不断扩展，其优越性也得到更多的体现，并随着c c d 生产工艺和分辨率的提高 以及对c c d 输出信号新型处理方法的运用还能实现亚象素级、更精密的测量。 本文使用了传统测量方法结合虚拟仪器技术对机床的主轴回转误差进行了 实验，然后使用这种新的测量方法对同一台机床进行对比实验。 本文首先分析了影响主轴回转误差的因素，研究了c c d 作为传感器对主轴回 转误差测量时的标定方法，提出了实现直接法测量的理论依据，并对实验结果进 行了分析。 软件部分主要用美国国家仪器公司的l a b v i e w 7 0 以及m a t l a b 6 0 编制。 关键词：主轴回转精度c c d 数据采集数据处理重心法最小二乘圆 一一! 望型鲎垫查查兰塑主兰些堡竺 a b s tr a c t m e a s u r e m e n tm e t h o dr e s e a r c ho ft h e r o t a r yp r e c i s i o no f s p i n d l e i nt h e p r o c e s s o fm a c h i n i n g ，t h e r ea r e m a n y f a c t o r sa f f e c tt h e m a c h i n i n g p r e c i s i o n w h a ta f f e c t st h em a c h i n i n gp r e c i s i o nt o o l d e e p l y ，i sr o t a r ye r r o ro ft h e p r i n c i p a la x i s ， n o w , t h es u c c e s s f u lm e a s u r e m e n tm e t h o d si n c l u d eu n i l a t e r a t i s mm e a s u r e m e n t ， r e v e r s em e a s u r e m e n t ，t r i - p o i n tm e a s u r e m e n ta n dm u l t i - p o i n t m e a s u r e m e n t ，a n dc a n m a k eg o o dr e s u l t b u tt h e s et r a d i t i o n a lm e a s m , e m e n t s ，c u r r e n t l ym a k e u s eo fo n eo r m u l t ic a p a c i t a n c es e n s o ro ri n d u c t a n c ew h i r l p o o ls e i s o ! rt om e a s u r et h em a s t e rb a l l t h a tb ei n s t a l l e da tr o t a r ya x i s c o l l e c t e dd a t ai n c l u d el a t h er o t a r ye r r o r , m a s t e rb a l l i n s t a l l a t i o n p a r t i a l e r r o ra n df o r me r r o re t c t h ee r r o rm u s tb e s e p a r a t e df r o m c o l l e c t e dd a t a e x i s t i n gm e a s u e m e n tm e t h o do fr o t a r ye l r o ra r eb a s e do i l e r r o r s e p a r a t i n gt e c h n o l o g y , b e c a u s e t h e s ee r r o r sc a n tb e s e p a r a t e dc o m p l e t e l y , t h e m e a s u r e m e n tr e s u l ti n c l u d ec o m p o n e n to fm a s t e rb a l lf o r me r r o r , m e a s u r e m e n t p r e c i s i o n w i l lb ei n f l u e n c e dv e r yg r e a t l y t h i st h e s i sb r i n gf o r w a r dan e wm e a s u r e m e n tm e t h o do fr o t a r ye r r o r - ，一d i r e c t m e a s r e m e n tm e t h o d ，b a s i n g0 1 1r e s e a r c h i n gt r a d i t i o n a lp r i n c i p l ea n de l l o rs e p a r a t i n g m e t h o d s u f f i c i e n t l y i ti n s t a l lo n el i g h tp o i n t o r m u l t i - p o i n t a tr o t a r ya x i sw h i c hw i l lb e m e a s u r e d ，w h e nt h e s et u r n i n gl i g h tp o i mo r b i tb es h o tw i t hc c dc a m e r a , w eg e ta s e r i e so f p o s i t i o n so f t h el i # t p o i n tb yw a yo f d i g k a ti m a g ep r o c e s s i n g , t h e nm a k e t h e r o t a r ye r r o r t h em e 舢e m e m m e t h o di sn o ts u p p o r tf r o mm a s t e rb a l l ，c a l lm e a s u r e l a t h e p r i n c i p a la x i sr o t a r ye r r o rd i r e c t l y ，n e e d n ts e p a r a t et h ec i t e r ，p r o c e s s ed a t af a s t e r a n dm o r ea c c u r a t e c h a r g ec o u p l e dd e vic pc c di sak i n do fi m a g ei n f o r m a t i o ns e n s o r , w h i c h h a v ed e v e l o p e dv e r yf a s ti nr e c e n ty e a r , f th a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha s h i g hp h o t o e l e c t r i cs e n s i t i v i t y , a n de a s yt o p r o c e s sw i t hc o m p u t e r t h em e a s u r e m e n t s y s t e m ，w h i c hm a k eu po fc as e n s o r , o p t i c a ls y s t e m ，s i g n a lc o l l e c t i n ga n d p r o c e s s i n gs y s t e m ，h a v ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，i t ss u p e r i o r i t yg e t s r i o r ee m b e d i m e n tt o o w it hc c dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dr e s o l u t i o ne n h a n c i n ga n da p p l i 2 中国科学技术大学硕士毕业论丈 c a t i o no fn e wm e t h o do fs i g n a l p r o c e s s i n g t oc c d o u t p u t ，s u b p i x e la l g o r i t h ma n dm o r ea c c a r a t em e a s u r e m e n tw i l lb er e a l i z e d t h i st h e s i sm e a s u r er o t a r ye r r o ro fl a t h e u s i n gt r a d i t i o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g yc o m b i n e dv i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , t h e nw em e a s u r et h es a n l el a t h eu s i n g t h en e wm e a s u r e m e n ta sac o n t r a s t i n g a tf i r s t ，t h i st h e s i s a n a l y s et h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e l a t h e r o t a r ye r r o r , s t u d yc a l i b r a t i o nm e t h o dw h e nu s e c c ds e n s o rt om e a s u r el a t h e r o t a r ye r r o r , b r i n gf o r w a r dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt h a ta c h i e v et h ed i r e c tm e a s u r e m e n t ，a n d a n a l y s e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t t h ep a r to fs o f t w a r ei s m a i n l yp r o g r a m m e dw i t hl a b v i e w 7 0o fn a t i o n a l i n s t r u m e n to f a m e r i c a na n dm a t l a b6 0 k e y w o r d s ：r o t a r y e r r o ro fp r i n e i p a la x i sd a t a c o l l e c t i n g d a t a p r o c e s s i n g c c d c e n t r o i dm e t h o dl e a s t s q u a r e c i r c l em e t h o d 3 中国科学拄术大学硕士毕业论文 第一章概述 第一节主轴回转精度概念及分析 机床的：i 二作性能直接影响了零件的加工精度，机床主轴是工件或刀具的位置 基准和运动基准，实验结果表明：精密车削的圆度误差约有3 0 7 0 是由于主 轴的回转误差引起的，且机床精度越高，所占比例也越大，通过回转轴运动误差 的测定，可对机床进行状态监测和故障诊断，预测机床在理想加工条件下所能达 到的最小形状误差和粗糙度，还可用于机床加工补偿控制和评价主轴的工作精 度，以及判断误差产生的原因。因此，主轴回转运动误差的测量a 常重要。 要想对主轴进行准确的测量，首先必须明确主轴回转精度的概念。对于主轴 的要求集中到一点，就是在运转的情况下它能够保持轴心线的位景稳定不变，也 就是所谓的回转精度。主轴的回转精度不但和主轴部件的制造精度( 包括加工精 度和装配精度) 有关。而且还和受力后的变形有关，并且随着主轴转速姆增加， 还需要解决主轴轴承的散热问题，不过，主轴部件的制造精度是主轴回转精度的 基础。 回转精度是主轴系统特性的重要指标之一，也是机械加工中主要运动精度之 一。对于车削类加工，将直接影响被加工件的圆度，内、外圆柱面对端面的垂直 度等：对于铣削类加工，将影响平丽度等。 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 本身的各种误差，轴承之阉的同轴度误差，主轴的挠度和支承端面对轴线的垂直 度误差等等原因，主轴在每一个瞬间回转轴线的空间位置都是变动的，也就是说， 存在着回转误差。 主轴的回转误差运动可以分解为三种基本运动：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。其表现形式如图1 1 1 所示： 舢三基 鲰 一一_ 7 一一日t r 凡斗 c d i 是牛1 睫询 渤f t t l 矗i 1 1 袖 泌难曲 图1 1 1回转误差的三种表现形式：径向跳动、轴向跳动、摆动 腭 中国科学技术大学硕士毕业论文 根据c i r p ( 圈际生产工程学会) 的统一文件中规定，回转轴线的定义为： 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 平均线的线段做轴向的、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。 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 ( 包括主轴轴颈的圆度，前后轴颈之间的同轴轴承的精度，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) ，主轴回转轴线的位置是随h 寸 变动的。所以，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： a ) 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。 b ) 理想回转轴线：理想网转中心的连线。 c ) 瞬时回转中心：主轴在实际回转中，存在着一个其位置时刻变化的回转 中心。 d ) 瞬时回转轴线：各截面瞬时回转中心的连线。 e ) 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。 由此可以给出回转精度( 误差) 的定义：主轴回转时，其回转轴线的空间位 置在每一瞬时对平均回转轴线的变化范围( 漂移量) 。 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加工表 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。 第二节主轴回转误差的测量方法原理 机床主轴回转误差，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。 一、静态测量法 目前在生产中主要采用表测法( 如图1 2 1 所示) ：将一根精密芯棒插入主 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 5 中国科学技术大学硕 毕逝论文 两个主要缺点： a ) 不能反映主轴在工作转速下的回转误差： b ) 不能把性质不同的误差区分开。例如，不能把包含在由衷所测得的径向 跳动中的，主轴回转轴线的径向跳动与主轴几何轴线和定位基准相对于 回转轴线的偏心所引起的径向跳动区分开。 图1 2 t 回转误差的表测法 随着对机床主轴回转精度要求的不断提高，就需要用更为精确的测量方法， 以使得测量结果更能真实反映出机床上待加工零件的实际形状精度。 还有一种静态测量法就是将表测法中使用的表头换成电感测微仪，其它的条 件不变。 二、动态测量法 动态测量法通常是选用一种测量传感器，利用传感器测得的位移信号进行分 析处理。如反向测量法是利用两个相对1 8 0 度固定的传感器，在机床主轴回转时 保持不动且测得信号，然后通过消除偏心措施和误差分离技术求得主轴的回转误 差运动。其具体原理是选用两个测试特性非常接近的电容式微位移传感器& 和 s ，设定一圈采样n 点，每个传感器测得的信号包含被测件的圆轮廓信号r 徊) 和 回转误差信号e ( e ) 。在开始时测得篼个误差信号和旋转18 0 度后测得第( n 2 ) 个信号分别为： s ，( o o ) = 矗( o o ) + e ( 吼) 只( 包，2 ) = 胄( e o y ) + e ( e o ) 是( c o ) = r ( o o 一万) e ( o o ) 马( a o ，：) = r ( 6 0 ) 一p 慨) 两者相减得到第0 个点的回转误差信号e ( 0 0 ) 和圆轮廓信号r ( o o ) ： p ( 岛) _ j s ( ) 马( 谚m ) 2 r ( e o ) = i s ，( 吼) + s 2 ( 眈，2 ) l 2 由上面两式类推，e ( e o ) 和r ( 皖) 的前半圈各点的值可由传感器s 测得的前半圈的 6 中国科学技术大学硕二l 毕业论文 值和传感器s 2 测得的相对应后半圈的值求得，p 眠) 和r ( o o ) 的后半圈各点的值可 由传感器s 测得的后半圈的值和传感器s 、测得的相对应的前半圈的值求得。即： 当i = 0 ( ( ”2 ) 一1 ) 时有： e ( p ) = l s ( 舅) 一是( p 。：) | 2 e ( o ) - l s ( 只) + s ! ( p + 。，2 ) l 2 当i = ( n 2 ) ( n 一】) 时，有： e ( 只) = f s ( g ) 一s ( 鼠一。，：) f 2 尺( p ) = i s ( q ) + 是( 舅。，：) l 2 国内外广泛采用的主轴回转误差的测量方法是在主轴端固按一个精密圆球， 称为标准球。球的中心和主轴的回转中心线允许略有偏心e ，在标准球的周围安 装位移传感器来进行测量，根据传感器的数量不同可以单向测量法、双向测量法 等，如图1 - 2 2 所示为一个双向测量法的简图。 图1 2 2 双向测量法 1 、单向测量法 如果被测对象是车床主轴，这种双向测量法并不适用。因为由图1 2 3 ( a ) 可 知，当主轴轴心在某个瞬间在z 方向有一个羽的变动时，在圆图上将描绘出一 个方位为；+ 丽的凸起，反映出较大的半径变化矗，这与实际车削时占( f ) 引起 的工件半径极微小的变化是不符合的。而当偏心p 正好转到垂直时，若轴心在j ， 方向有一个变动拶( ，) ，这个变动就会使得车削工件的瞬时半径增大f i ( t ) ，但在圆 图上只反映出小的半径变化a r ( 如图1 2 3 ( b ) 所示) 。这两种情况的出现是因为 车床和镗床主轴的敏感；h - n ；不n 。因此用上述双向测量法不能反映车削的实际情 况。 中国科学技术大学硕士毕业论文 ( a ) 过大地反映了实际情况( b ) 过小地反映了实际情况 图1 2 3 圆周上p 和谚在不同方向迭加情况下的半径增量 为了能正确反映车床类机床主轴的回转精度，应直接在固定的误差敏感方向 y 上测量。但为了能直观地反映出加工误差，仍需在测量时设法产生一个标准圆， 而将y 方向的回转误差迭姗在该圆上。图1 2 4 所示即为这样的一种典型的测量 方法。 4 i 、i i 、i i i ：三个传感器；m ：乘法运算器：a ：加法运算器 1 、2 ：偏心盘( 偏心相位差9 0 。) ：3 ：标准球 图1 2 4 测定车床主轴回转精度的方法 在车床主轴上装上测量工具，这个工具由两个偏心量相等( 约为o 1 5 毫米) 而互成9 0 。的偏心盘l 、2 和一个标准球3 组成。标准球应有很高的形状精度和 光洁度，其安装偏心应调到尽可能小。三个传感器l 、i i 、i i i 都安装在水平方向 8 梦 吟拇 中国科学技术大学硕士毕业论文 ( 即y 方向) 。传感器i 、h 分别输出e s i n 和e c o s f = # 的信号。放大必倍后，经 运算电路分别与传感器i i i 输出的信号s 相乘和迭加， 然后将： s ，= k e ( 1 + k o s ) s i n 妒 和 s = k e ( 1 + k o s ) s i n 妒 的信号分别输入到示波器的x 和y 轴。当主轴没有回转误差时，s = 0 。示波器 的光点描绘出一个半径r o = k e 的基准圆；当主轴有回转误差时，传感器i i i 将该 误差在y 方向的分量s 迭加到上述基圆上，于是获得个非圆的图形。 该图形在任何一点的向径为 p = 丽= 正丽赢两面再丽：k e ( 1 + k o s ) 误差为 a r 。p r o = k e k o s 由于肫为常数，所以图形上的半径误差r 只与回转误差在y 方向的分量 s 有关。并成正比，因而该图形正确反映了主轴回转误差造成的加工丽形状误差。 由于两个偏心盘的制作和安装( 保证相互之间成9 0 。) 的要求很高，因此有 的测量方法中采用了在主轴尾端锥孑l 中安装多极旋转变压器( 如图1 2 5 所示) ： 9 中国科学技术大学硕士毕业论文 l 一多极旋转变压器2 主轴3 一加力套篱4 测量附件s - - 传感器支 架6 一尾座套筒7 一传感器8 一测微仪9 一模拟运算电路装置1 0 一示波 器1l - - n 力仪1 2 一模拟加载装置1 3 一过渡盘m 一乘法器a 一加法器 图1 。2 5 车床主轴回转精度测量实验装置 两个相互垂直的定子绕组输入两路信号，e c o s 驴和e s i n p ，其原理与上述 方法完全相同。图1 2 5 中，过渡盘的作用就是消除偏心。 由于使用多传感器( 辅之以偏心盘) 或者使用多极旋转变压器的作用仅仅是 为了产生一个基圆，而且使得实验的成本增加很多，因此此法并不是一种好的测 量方法。 图l ，2 6 主轴回转总误差图形 图1 2 6 所示是主轴回转总误差图形，它是主轴回转误差测量的结果，误差参数 都表现在上面，包含该图形、半径差为最小的两个同心圆的半径差为主轴回转轴 中国科学技术大学硕士毕业论文 线径向漂移量，它影响工件的圆度。圆形轮廓线宽度b 表示随机径向漂移，它影 响工件表面的粗糙度。两个同心圆的圆心，称为“最小径向距离圆心”0 。， 它是由于测量球的安装偏心引起的。 2 、双向测量法 使用这种方法，其位移信号分析如图1 2 7 所示，其中，0 n 为理想回转中心， q ，为标准球的几何中心，o r 为瞬时回转中心，p 为标准球的安装偏心，0 为转 角，并令p 与x 轴平行时0 = o ，r ( 目) 为径向运动误差。若标准球半径r 。远远大 于偏心p 和径向运动误差r ( 口) ，则两传感嚣检测到的位移信号d ，和d 、，分别为： 吱= e c o s o + 5 ( o ) + 疋( 印 d y = e s i n o + 5 ( 0 ) + s 。( p ) 圈1 2 7 位移信号分析 等号右侧第一、二项分别为偏心p 和运动误差r ( o ) 在x 、y 方向上的投影， 而第三项则为标准球上相差9 0 * 的两对应点处的形状误差。由此可见： a ) 在一般情况下，以+ d 。r ( 臼) ，而只有当e 、文( 日) 和s y ) 均趋于零 或已确知，有或和d ，才能确定r ( o ) 。因此，如何消除或分离安装偏心e 和标准 球的形状误差s 就成为研究测量方法的重要任务。通常标准球的形状误差远远小 于回转运动误差。当标准球形状误差和运动误差大小同属于一数量级时，则必须 采用误差分离技术来消除影响。 中国科学技术大学硕士毕业论文 b )在标准球形状误差可忽略的情况一f ，d 。和d ，是标准球中心的位移在 x 、y 两方向上的分量。换而言之，由于偏心p 的存在，由d 。、d 、可以确定的是 标准球几何中心的轨迹而不是回转轴心的轨迹。实际上，在同根轴上，以相同 条件运行( 因而r ( 口) 应一样) ，由于偏心p 的大小和方位不同，测量的d ，和d 、也 不同。为了尽量减少偏心对、d ，的影响，使得测量结果更能真实的反映，( 护) 就必须尽量减小或消除e 值。如果这样做有困难，那么只有在同一的偏心大小和 方位的条件下测定的结果彼此问习| 有可比性。 通常可以采用适当的机械装置和精细调整来减小安装偏心，或者采用滤波法 和反相叠加法来减弱偏心的影响。 第三节圆度误差数据处理方法 消除偏心引起的误差后，接下来就是数据处理了，由于本实验中的主轴径向 跳动误差反映在标准球的最大轮廓的变化上，而且标准球的加工精度比较高，根 据传感器探头直径的大小可以忽略标准球的表面形状误差的影响，因此回转误差 评定可以依据圆度误差的评定方法。常用的圆度误差数据处理方法有如下几种： 1 、最小区域法 包容实际轮廓、且半径差为最小的两个同心圆之间的区域即构成最小区域， 姥同心圆的半径差即蔻圆度误差。 最小区域的判别准则：当两个同心圆包容被测实际要素时，至少有四个实测 点内外相间的位于两个包容圊的圆周上，如凰1 3 1 ( a ) 所示。 由于该法是利用同心圆模板套查出最小外接圆直径和最大内接圆直径，在软 件系统中很难实现，故而不提倡使用该法，虽然该法就量值而言，评定的结果值 相比于其他几种方法，圆度误差值是最小的。 2 、最小外按圆法 作一被测实际轮廓的最小外接圆，实际轮廓与外接圆的最大径向距离，即为 圆度误差，如图 3 1 ( b ) 所示。 在该法中，可以采用三点法确定最小外接圜，但是实现起来并不简单，而且 这是一种比较粗糙的确定法，所以亦不提倡使用。 1 2 中国科学技术大学硕= l 毕业论文 3 、最大内接圆法 作一被测实际轮廓的最大内接圆，实际轮廓与内接圆的最大径向距离，即为 圆度误差，如图1 3 1 ( c ) 所示。 该法类似最小外接圆法，不提倡使用的原因相同。 ( a ) 最小区域法( b ) 最小外接圆法( c ) 最大内接圆法 图1 3 1圆度评定的几种方法 4 、最小二乘圆法 作一被测实际轮廓的最d x z - 乘圆，其圆心至轮廓的最大距离与最小距离之差 即为圜度误差，如图1 3 2 所示。所谓最小二乘圆是这样的一个圆( 其圆心是唯 一的) ，实际轮廓各点到此圆的距离平方和最小。 ( - r ) 2 = m i n ，f - 1 ，2 ， = l 式中，t 为被测实际轮廓上第i 点到最小二乘圆圆心o 的径向距离；r 为最小二 乘圆的半径。 先求出最小二乘圆圆心坐标( 日，6 ) 2 一2 咒 口= ! l ：b = 上l ：r = l 其中：和m 实际轮廓上各等分点p 的坐标； i p 点到坐标原点的径向距离： 被测圆的等分数，通常取双数值，竹越大结果越精确。 中国科学技术大学硕士毕业论文 7 图1 3 2 圆度评定( 最小二乘圆法) 求出口，b 后，只点至最小二乘圆圆心的距离为： r = ( 薯一n ) 2 + ( 只- b ) 2 实际圆度误差为： f = e 。一置。 以上就是圆度误差数据处理的几种方法，其中最小二乘圆法是目前较为营遍 采用的、理论上更为接近实际的一种方法。 在本文所做的两次对比实验当中，对实验数据的误差评定都采用了最小二乘 圆法。 中国科学技术大学砸十毕业论文 第二章主轴回转精度的电涡流传感器测量 第一节硬件的选择与陛能参数 由于测量的是车床主轴回转精度，所以采用单向测量法。由于对测量的要求 不同，继而也对所选择的仪器设备也提出了不同的要求。 一、传感器的选择 目前用来进行动态测量的传感器种类很多，比如电容式传感器，电涡流传感 器等，其中电容式传感器的优点有： ( 1 ) 高阻抗，小功率，因而仅需很小的输入力和很低的输入能量。传感器一般 说来电容量很小，有的只有几个皮法左右，它的容抗因电容小而很大。 ( 2 ) 可获得较大的相对改变量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性。 ( 3 ) 动态响应快，能在几兆赫的频率下工作。 ( 4 ) 结构简单，应用较广，可在恶劣环境中工作。 ( 5 ) 可以进行非接触测量。待测体是导体或半导体均可。 不过电容传感器的缺点也根明显：首先，它的输出特性的非线性较严重。 再次，分布电容的影响较大，这些分布电容不仅降低了转换效率，还将引起测量 误差。 而基于电涡流效应原理上的新型电涡流式传感器，是一种能将机械位移或 振动幅度转换成电信号输出的非电量电测装置。它是由探头( 传感器) ，延伸电 缆和变换器( 前鼹器) 组成，可以非接触测量导体，具有结构简单、频率响应 宽( 从零到几百千赫) ，灵敏度高、测量线性范围大( 3 0 0 , u 聊1 0 0 0 t m ) 、抗干 扰能力强、体积较小等一些特点。目前在测控技术等方面，得到很高重视和广 泛采用。 为了满足非接触测量、测量线性范围大、抗干扰能力强等特点，实验选择 江苏联能电子技术有限公司生产的c w y - - d o 系列电涡流位移传感器配以前置 器。考虑到量程、灵敏度以及价格等因素，选择的具体型号为c w y d o 一5 0 2 。 如图2 1 1 所示： 该传感器的特点是；非接触式测量、结构简单、频晌宽、灵敏度高、分辨率 高、抗干扰能力强、测量线性范围大。前置器的工作温度为：- 3 0 。c + 6 5 。c 。 5 中国科学技术大学硕上毕业论文 图2 1 1c w y d o 5 0 2 电涡流位移传感器( 左) 前罱器 y e 5 9 3 7 型位移测量仪是配接c w y 系列电涡流位移传感器，进行非接触式位 移测量的专用仪器，适用于旋转机械轴的径向振动，轴向位移测量，滑动轴承的 油膜厚度测量等，在教学、科研领域有着广泛的应用。它的特点有： 1 数字显示动、静态位移值 2 测量范围宽( o - - 2 5 m j n ) ，分辨率高 3 间隙电压显示 4 自动调零 5 交直流供电 6 能方便地组成多通道 量程：2 、4 、l o ( 1 2 5 ) 、2 0 ( 2 5 ) m m 对应传赫器灵敏度：8 、4 、0 8 、0 4v m m 分辨率：位移：l , u m ( 2 聊m 、4 m m 量程) 1 0 9 m ( 1 0 m m 、2 0 m m 量程) 电压为l m v ；误差1 ： 位移输出：8 v 2 咖、8 v 4 m m 、5 v 1 2 5 m m 、5 v 2 5 r n m 二、编码器的选择 由于机床主轴的转速不可避免的存在着偏差，仅仅依据机床转速和运转时 间来确定采样圈数是不科学的。因此，为了比较精确均匀的采样，实验使用了无 锡市瑞普( r e p ) 科技有限公司生产的增量式旋转编码器l b m - - 5 0 8 系列。增量式 编码器是通过轴的旋转产生一系列的脉冲信号；运动速度由一定时间内所产生的 脉冲信号决定：脉冲信号的输出可与计数器或p l c 的输入模块相连，起至u 测量 的目的。特点如下：体积小、安装方便、互换性好、抗干扰强；高转速( 最高转 速可达6 0 0 0 伊历) ，高频响( o h l 0 0 尼眈) ；分辨率范围宽，应用温度范围宽 ( 工作温度一1 0 0 c 7 0 。c ) ；轴载荷能力强，耐冲击( 1 0 0 m s 2 ( 1 l m s ) ) ，抗 中国科学技术大学硕士毕业论文 震好( 1 0 0 m s 2 ( 5 2 0 0 0 h z ) ) ，可靠性强，工作寿命长等等。该编码器在旋转 时，有相应的脉冲输出，利用a 相( s i ga ) 在编码器每转一圈即产生1 0 2 4 个脉 冲信号，来实现传感器对主轴回转溟差感应的精确采样。 三、数据采集卡的选择 a d 转换卡是数据采集系统的核心部件，作用是在计算机的控制下完成模拟 信号到数字信号的转换。转换卡的种类很多，它的正确选择和合理使用是没计一 个好的数据采集系统的关键，不同的系统对转换卡的要求也不尽相同，因此选择 适当的转换卡决定了系统能够达到的精度、速度等性能指标和所用成本的多少。 考虑到需要很高的采样频率，以及多通道采集的因素，选用美国国家仪器公 司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 生产的p c i - 6 0 7 1 e 数据采集卡。性能如下： 总线：p c i 输入方式：6 4 路单端输入或3 2 路差分输入 采样率：单通道1 2 5 m b 模入精度：1 2 b i t s 输入电压：l o ，5 ，o 一1 0 输入增益：0 5 - 1 0 0 模出精度：1 2 b i t s 模拟输出：2 路 输出速率：1 m b 输出电压：0 一1 0 v 数字：8 路i 0 ，可单独控制 计数：2 路2 4 b i t s 触发：模拟或数字 第二节系统的连接 硬件系统可分为机械系统与电气系统，其中，机械系统主要包括仪器搭接和测量用标 准芯棒以及固接在其上的标准球：电气系统主要是测量系统的集成。 一、机械系统的连接 本论文涉及到的实验仪器有：机床、联轴器、旋转编码器、编码器电源、标 准芯轴、标准球、电涡流式传感器、微动台( 用于安装传感器以及调整传感器与 标准球之问问距) 、电路转接板、数据采集卡和计算机。 中国科学技术大学硕士毕业论文 机械系统的结构如图2 2 1 所示，其中，旋转编码器于主轴尾端柔性联结， 保持其轴与主轴同步转动。利用微动台将位移传感器安装在通过标准球球心且垂 直于主轴回转轴线的水平位置。 在安装电涡流传感器的时候，由于机床床身有很强的震动干扰，所以采用了 与机床分离的微动台，它是由固定在地面上的这样就减小了机床震动给测量带 来的误差。当然，由于部分震动还是会通过地面传递到传感器，所阻在传感器和 微动台联结时，利用弹簧来实现更好的减震效果。 旋转编码器与机床主轴是通过一系列联轴器相联结的，由于编码器在工作的 时候只是要求和主轴联动即可，其它的误差对编码器产生频率信号均无影响，所 以对联轴器的加工和安装均没有特别的要求。 图2 2 1 测量系统结构示意瞬 二、电气系统的连接 电气系统主要包括各种仪器( 主要包括传感器、位移测量仪、编码器电源、 电路转接板、数据采集卡) 的接线，具体如图2 2 2 所示： 中国科学技术大学硕士毕业论文 图2 2 2 电气系统接线图 第三节软件系统功能与实现 一、虚拟仪器的测量技术应用 1 、虚拟仪器的概念与特点 随着科学实验和工业生产的规模不断扩大以及精度的不断提高，人们建立大 规模、自动化、智能化电予测控系统的需求越来越追切。虚拟仪器技术随着计算 机硬件技术的发展孕育而出。 虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是指其有虚拟仪器面板的个人计算机，“虚 拟”主要有两个方面的含义一是指它的面板是虚拟的，二是指它的测试功能是幽 软件编程来实现。它的基本思想是利用计算机管理仪器，组织仪器系统，进而逐 步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等。其本质上是利 用p c 机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，建立艮好的人机交互性能 的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，通过一组软件和硬件， 实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。形成既有普通 仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档新型仪器。在虚拟仪器 系统中，硬件仅仅是解决信号输入和输出问题以及软件赖以生存、运行的物理环 境，软件才是整个仪器的核心。使用者只要通过调整或修改仪器的软件，便可方 便地改变或增减系统的功能与规模，甚至仪器的性质，完全打破了传统仪器由厂 家定义，用户无法改变的模式，给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间。 虚拟仪器系统的应用将对实验水平和生产效率的提高不可估量的影响。 中国科学技术大学硕二l 毕业论文 2 、虚拟仪器技术与传统测量技术的对比 虚拟仪器相对于传统仪器优势是显而易见的，概括起来如下表所示。 表l传统仪器与虚拟仪器性能对比 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 与其他仪器设备的连接受限面向应用的系统结构，可方便地与网络、外 硬件是关键部分设、应用等连接 系统封闭，功能固定软件是关键部分 技术更新慢( 周期为5 1 0 年)价格低廉，可重复利用 开发和维护费用高基于计算机技术的开放灵活的功能模块 技术更新快( 周期为l 2 年) 基于软件的体系结构大大节省开发维护费用 测试仪器种类很多，功能也各异。但不论是何种仪器，其组成都可以概括为 信号采集与控制单元、信号分析与处理单元和结果表达与输出单元等三部分。由 于传统仪器这些功能单元基本上是由硬件或固化的软件形式存在，因此只能由生 产厂家来定义、设计和制造。从理论上而畜，在通用计算机平台上增加必要的信 号采集与控制硬件，就已经具备了构成测试仪器的基本条件，关键是根据仪器的 功能要求设计开发包括数据采集、控制、分析、处理、显示，劳且支持灵活的人 机交互操作的系统软件。 二、程序的设计与实现 由于测量信号中一般都含有主轴回转误差信号，标准球安装偏心信号和标准 球截面形状误差信号，需要从测量信号中分离出误差信号，通常使用频域法，对 测量信号作正反两次傅立叶变换，运用滤波技术对测量信号进行误差分离。 目前，高精密机床的回转精度可以达到几百甚至几十纳米，有用信号非常微 弱的混杂在输出信号中，要准确测量机床回转精度需要有合适的、准确高效的数 字滤波器。滤波器的类型和参数会对滤波效果有很大影响，如果经过滤波，干扰 信号残留过多或有用信。g - 被滤除都会使最终结果出现偏差，因此数字滤波器的设 计至关重要。 在测量不同转速的机床回转误差时，需要不断改变滤波器的类型和参数，才 中国科学技术大学硕士毕业论文 能从中找到最适合的滤波器，用一般的编程浯言更改数字滤波器时需要编写复杂 的程序，难度和工作量较大，而且程序的通用性不好。而使用虚拟仪器技术编写 的应用程序是基于分层设计的理念模块化的方法开发出来的，更换和测试都非常 方便。 数字低通滤波器有无限脉冲响应i i r 数字滤波器和有限脉冲响应f i r 数字滤 波器两种。根据本实验的实际情况经多次试验选用f i r 数字滤波器。 本实验应用虚拟仪器技术，在l a b v i e w 平台上开发出一套测试软件，对主 轴回转精度进行测量并对测试数据进行误差分离、数据处理和结果评定。 l a b v i e w 是较为常用的虚拟仪器系统软件平台，它采用的是图形化编程方 案，只需掌握筒单的编程规则，所编的程序就是幅“图”。 和c 或c “等其它计算机高级语言一样，l a b v i e w 也是一种通用编程系统， 具有专门的用于数据采集和仪器控制的各种各样、功能强大的函数库、专业的数 学分析程序包和开发工具，包括数据采集、g p i b 、串行仪器控制、数据分析、 数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。l a b v i e w 也有完善 的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。l a b v i e w 的动态连续跟踪方式，可 以连续、动态地现察程序中的数据及甚变化情况比其它语言的开发环境更方便、 更有效。 l a b v l e w 程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器； 但l a b v i e w 程序很容易改变设置和功髓。因此人l a b v i e w 特剐适用于实验宣、 多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信 号进行分析研究、传输等场合。 由于l a b v i e w 程序的运行及其表现形式都是仿照实际的仪器，所以， l a b v i e w 程序称为虚拟仪器v i s ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 。然而，v l s 仍然类似传统 语言子程序的作用。 个v i 包括一个人机对话用户界而、一个作为源代码的数据流框图及图标。 一个v i 的图标使得其高一层的v i 可以调用这个v i 。更为确切地说，v i 具有如 下特点： a 。v i 的用户界殛 由于v i 的形式是仿照实际仪器的面板，所以又称为前面板。前面板可以包 括旋钮、按钮、图形显示器