精密主轴回转误差在线动态测试技术研究.doc

精密主轴回转误差在线动态测试技术研究摘 要：精密主轴回转误差的测量是控制精密机床的主要技术手段，主轴回转误差的大小能够直接应该到机床工作的情况，目前使用的精密机床为了减少误差，都使用气体和液体的静压轴承作为主轴，虽然这种技术可以大幅度降低主轴回转带来的误差，但是由于现代化的机床通常都采用自动化的系统进行管理，必须对主轴回转误差在负载状态进行测量，但是在实际的测量中，所测量的主轴回转误差很容易参杂进一些被测件的误差，在机密仪器的测量中，这些误差是不能被忽略的，在此基础之上很多专家和学者都对精密主轴回转误差的测量进行了研究，本文就通过介绍两点误差分离动态测试法原理，引出如何处理测量到的数据，最后对软件仿真和测量系统的构成进行简要的分析，希望能给主轴回转误差的动态测试技术实际应用提供一些参考。关键字：精密；主轴回转误差；动态测试技术1前言制造技术可以直接影响到一个国家经济的发展和国家的综合竞争力，目前的美国和日本等工业发达国家，其制造技术是非常先进的，而且对制造技术研究的投入也非常巨大，通过这种先进的制造技术，其生产的效率和加工的质量都被大幅度的提高了，同时对员工工作的强度、工作的环境都有一定的改善作用，提升了整个企业的市场竞争力，通过分析发现，目前的制造技术正在向精密、高速、自动化、高能束方向发展。其中的精密加工技术起源与上世纪60年代末期，当时为了适应科技发展的需要，这种精密加工的精度通常都在0.1到0.01微米左右，表面的粗糙度在0.03到0.005微米之间，因此精密加工技术也被称之为亚微米级加工技术，而随着航天技术和微处理技术的发展，精密加工已经开始向纳米级别发展，现代的国际竞争中，精密加工技术已经成为企业成功的关键性技术之一。在实际的加工过程中，由于力学上的特殊原因，主轴在转动的过程中，不可能保持在一个位置转动，只能是在一个平均的轴线上进行往复的转动，这个往复转动的过程就是回转运动，由于会进行回转运动，在主轴工作的过程中就必然会产生一些误差，尤其是精密的机床中，这种看似很小的误差会引起很大的后果，通过分析发现，主轴回转误差通常是由径向、轴向、角度三个误差组成的一个综合性的误差，通常情况下，主轴回转的误差是由这三个误差共同造成的，通过多次实验结果表明，在圆度误差中，有超过一半的误差是由于主轴回转误差导致的，而且主轴回转误差在圆度误差中所占的比例，会随着主轴精度的提高而提高，通过对精密主轴回转误差的测试，可以对机床在理想的工作环境下能达到的最小误差的，这个测试的结果为机床补偿控制提供了重要的参考，还可以判断出加工误差产生的原因，由此可见，对精密主轴回转误差的测试技术，尤其是在线动态测试技术的研究，有重要的应用意义。2两点误差分离动态测试法原理 对于精密主轴回转误差的测量，是控制精密设备的关键技术，目前使用较多的主要有两点法和三点法等，但是在三点误差分离动态测试法中，必须要使用三个传感器，同时对机械测试装置等加工精度要求很高，在安装和调试过程中都不是很方便，因此，本文对精密主轴回转误差在线动态测试技术的研究主要对两点误差分析动态测试法进行研究。 在进行主轴回转误差运动的测试时，其依循的原理如图2-1所示，图中的S1和S2分别代表两个传感器，其分布是圆周方向上相隔180度对称，在车床主轴回转时，两个传感器的位置不动，同时采集到主轴回转的信号，采集到这些数据之后，通过消除偏心的措施和误差分离技术，就能够得到主轴的回转误差，同时还能够得到测试轴的圆度误差。图2-1 两点误差分离动态测试原理示意图 这个过程的主要原理是，先选取两个特性比较接近的电容式微唯一传感器S1和S2，按照图2-1所示的原理进行布置，然后在传感器转一圈设定一个采样点，每个传感器采集到的信号应该包括被测主轴的回转误差信号e（）和主轴圆轮廓信号R（），在初始的测试位置应该如图2-1中的a所示，测试轴随着主轴转动，两个传感器S1和S2分别采集到第0个点的信号，其计算的公式为：S1(0)=R(0)+e（0） （1）S2(0)=R(0-PI)-e（0） （2） 如果主轴转过了180度，如图2-1中的b所示，两个传感器S1和S2就测得第（n/2）点的信号，具体的计算公式为：S1(n/2)=R(0-PI)+e（0） （3）S2(n/2)=R(0)-e（0） （4） 通过上面的公式（1）和公式（4）就能够计算出，主轴在第0点的回转误差信号e（0）和圆轮廓信号R(0)，计算的具体过程为：e（0）= S1(0)- S2(n/2)/2 （5）R(0)= S1(0)+ S2(n/2)/2 （6）计算出主轴在第0点的回转误差信号和圆轮廓信号之后，就可以从上面的两个式子推导出e（0）和R(0)的前半圈各点的值是由传感器S1前半圈和S2后半圈的值求得的，由此可以推出e（0）和R(0)后半圈的值，应该是由传感器S1的后半圈和S2的前半圈求得，具体的计算过程为：当i=0（n/2）-1）时e（i）= S1(i)- S2(i+n/2)/2 （7）R(i)= S1(i)+ S2(i+n/2)/2 （8）当i=（n/2）（n-1）时，e（i）= S1(i)- S2(i-n/2)/2 （9）R(i)= S1(i)+ S2(i-n/2)/2 （10）3测试数据处理数据处理是精密主轴回转误差在线动态测试技术中重要的一个环节，一般情况下都采用图3-1的流程，对数据进行处理。从数据文件中提取数据删除野点均值滤波、求平均值求残余误差、消除常数项消除安装偏心误差分离测试棒的形状误差求主轴回转运动误差图3-1 测试系统数据处理流程3.1求测量点数据的平均值两个传感器在第i点测量数据平均值的计算方法为： （11） （12）上式中的S1(i+j*m)和 S2(i+j*m)为两个传感器S1和S2在第i个策略点的测量数据，n为每转一圈后测量点的个数，而m就是一共测量的圈数。3.2求残余误差和消除常数项两个传感器S1和S2在第i个策略点的策略数据残余误差的计算方法为：S1i=i-1ni=0n-1i （13）S2i=i-1ni=0n-1i （14）3.3消除被测试轴安装偏心对测量结果的影响在数据的处理过程中，如果先进行消除偏心误差的处理，后进行误差的分离，可以有效的提高误差分离的精度，传感器S1测量数据的一次傅立叶系数为：a11=2ni=1n-1S1i*cosi （15）b11=2ni=1n-1S1i*sini （16）传感器S2所测得数据的一次傅立叶系数为：a12=2ni=1n-1S2i*cosi （17）b12=2ni=1n-1S2i*sini （18）经过消除偏心误差之后，两个传感器S1和S2所测得的数据分别是：S1!i=S1i-a11*cosi+b11sini （19）S2!i=S2i-a12*cosi+b12sini （20）3.4分离出测试棒的形状误差，求得主轴的回转误差信号 分离测试棒的形状误差是精密主轴回转误差测试中的主要一个环节，通过分离误差，就可以对主轴回转误差信号进行计算，具体的计算公式为： Ei=12S1!i-S2!i （21） 同时还可以计算出测试轴的圆度误差信号，计算公式为： Ri=12S1!i+S2!i （22）在计算完这些数据之后，就可以根据相关的误差运动计算公式，求出主轴回转误差和圆度的误差。4测试原理仿真 仿真分析是一种高效、低成本的研究方法，通过软件的仿真分析，不仅可以节省出硬件的投资，同时也能够节省时间，最早的发现系统存在的问题，在仿真分析中，可以根据仿真的需要设置多个动态变量，对问题能够了解的更加深入，也能从多个角度验证理论，在一些危险性高、难度大、时间长的实验中，仿真分析方法更是因为其自身的优点而无法替代，本次对主轴回转误差在线动态测试进行仿真分析时，采用了一个基于Maltlab开放仿真系统，在该仿真系统上，对该精密主轴回转误差在线动态测试技术进行了仿真测量。通过软件的仿真可以知道，主轴回转误差运动中的偶次分量与测试的结果没有任何关系，而奇数次的分量对测试的结果有影响，会带来系统误差，但是其中的一次分类可以通过消除偏心误差处理，从而消除奇次分量带来的系统误差，而且不会给工件加工形状的误差评定带来影响。通过详细的分析发现，精密主轴回转的误差主要是由一些低次分量组成的，虽然也有一些高次分量，但是比例很小，在实际的计算过程中，可以忽略不计。在所有的误差中，直流的分量和一次的分量可以通过技术手段进行消除，而测试过程总的二次和四次的误差主要是来此三次分量，但是在主轴实际的回转过程中，主要的分量是二次分类，三次分量的比例很小，不能够对测试的结果产生足够的影响，因此，可以采用这种方法进行精密主轴回转误差的测量。5测试系统的构成精密主轴回转误差测试系统的整体构成如图5-1所示，测试系统主要由测试轴、测试架、传感器、计算机等构成。图5-1 精密主轴回转误差测试系统总体结构图 在实际的测量过程中，应该先把精加工后的测试轴锥端放入到车床的主轴锥孔中，然后应该把测试轴被测的部分最大程度的磨光，这样可以有效的减少由于测试轴表面的不光滑带来的误差，同时还能够减少由于测试轴安装不当造成的偏心误差，从整体上提高了测试的精度。S1和S2两个传感器应该放置在测试架上面，两个测头的表面应该和测试轴保持一定的距离。两个传感器在采集到了电压信号送入的模数信号后，采样板开始技术采样。在测试轴的中间装置了一个码盘，而且码盘的外圈有一个漏光槽，这个漏光槽和光电转换装置相对应，码盘外的漏光槽随着主动的转动而转动，漏光槽发生转动带动了光电转换装置的工作，光电转换装置在工作时，会产生一个脉冲信号，这个脉冲信号通过一系列的整形电路之后，会产生一个中断信号，从而控制采用信号的终端，在采用完成之后，就可以通过计算机对测试信号的处理。6结论通过本文的分析发现，主轴的回转误差是精密机床的关键性技术，主轴回转误差的大小直接能够影响带到机床加工工件的治疗，因此，主轴回转精度已经成为了衡量一个机床动态性能的重要指标，随着科技的发展，现代的精密机床的主轴精度已经进入到了纳米的时代，主轴的回转的高精度特性给传统的测量回转误差带来了困难，但同时也推进了精密主轴回转误差测试技术的发展。本文对精密主轴回转误差在线动态测试技术进行深入的理论分析，对软件仿真和测试的系统实际的应用进行了一定的研究，通过研究出的这种准确、有效的主轴回转误差测试系统，给出了测量和计算精密主轴回转误差在线动态测试技术的具体方法，本文讨论的测量方法和传统的测量方法相比有很多自身的优点。首先就是测试的系统安装非常简单，测量的方法也灵活，在安装的过程中需要一些精密的安装工具，对安装的要求也相对简单，其次是通过两个传感器共同工作，提高了测量的精度。相信随着加工技术和计算机技术的发展，对于精密主轴回转误差在线动态测试技术的研究也会越来越先进，测量的方法也会越来越简单。参考文献：1 陈恩平. 机床主轴回转精度计算机辅助测试系统J. 组合机床与自动化加工技术. 2004(09) 2 李旗,方海燕. 磁浮主轴回转精度的测试J. 机床与液压. 2004(08) 3 洪迈生,蔡萍. 多步法误差分离技术的比较分析J. 上海交通大学学报. 2004(06) 4 杜正春,杨建国,颜景平. 基于周期分解的机床主轴回转误差预报模型J. 计量学报. 2003(02) 5 黄长征,李圣怡. 超精密车床主轴回转精度动态测试仿真J. 计算机仿真. 2002(06) 6 苏恒,李自军,魏员