液体静压轴承性能测试方法 第1部分：回转精度-草案

T/CMES1.1—201X目次TOC\h\z\t"章标题,1,目次、前言、引言,1,1章标题,1,标准文件_一级条标题,2,前言标题,1,一级条标题,2,附录标识,1,附录标题,1,附录章标题,2"目次 II前言 IV引言 V液体静压轴承性能测试方法第1部分：回转精度 11范围 12规范性引用文件 13术语和定义 13.1一般概念 13.2误差运动errormotion 33.3误差运动值Errormotionvalue 43.4结构误差运动structuralerrormotion 53.5速度变化引起的轴线偏移axisshiftcausedbyspeedchange 54一般要求 64.1计量单位 64.2被测轴承 64.3检验环境 64.4待检回转轴 64.5回转轴的预热 65误差运动的检验方法 65.1概述 65.2径向回转误差测试 105.3轴向回转误差测试 115.4倾斜误差测试 12附录A（资料性附录）液体静压轴承回转精度测试报告 13附录B（资料性附录）表2径向回转精度测试数据记录表 14附录C（资料性附录）表3轴向回转精度测试数据记录表 15附录D（资料性附录）表4倾斜误差测试数据记录表 16前言本文件依据T/CAS1.1—2017《团体标准的结构和编写指南》的有关要求编写。本文件主要起草单位：华中科技大学机械科学与工程学院。本文件参与起草单位：华工制造装备数字化国家工程中心有限公司，武汉数字化设计与制造创新中心有限公司，中国物理工程研究院机械制造工艺研究所。本文件起草人：XXXXXXXXXXXXXX，XXXXXXXXXXXXX。本标准首次制定。引言为统一液体静压轴承回转精度测试的规范标准，需要确立针对于液体静压轴承的测试方法标准。XXXXXXXXXXXXXX，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，XXXXXXXXXXXXXXXXXX，XXXXXXXXXXXXX，XXXXXXXXXXXXX，XXXXXXXXXXXXX。范围本文件规定了液体静压轴承回转轴向几何精度的检验方法。轴承、主轴、回转头和回转工作台构成了回转轴线，由于误差的多源性，以致回转轴线的空间运动无法预计。本文件涵盖了轴承的以下特性：——回转轴线误差运动；——速度导致的轴线偏移。本文件适用于（最大直径、尺寸等），。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T17421.3-2009机床检验通则第3部分：热效应的评定（ISO230-31）：2001，IDT）GB/T19660-2005工业自动化系统与集成机床数字控制坐标系和运动命名（ISO841：2001，IDT）ISO230-1：1996机床检验通则第1部分：在无负荷或精加工条件下机床的几何精度（Testcodeformachinetools-Part1：Geometricaccuracyofmachinesoperatingunderno-loadorfinishingconditions）ISO230-2：2006机床检验通则第2部分：数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定（Testcodeformachinetools-Part2：Determinationofaccuracyandrepeatabilityofpositioningnumericallycontrolledaxes）术语和定义GB/T17421.7—2016/ISO230-7:2006界定的以及下列术语和定义适用于本文件。为了便于使用，以下重复列出了GB/T17421.7—2016中的某些术语和定义。一般概念液体静压轴承hydrostaticbearing用以支承主轴（转子）并且能够在主轴和主轴箱体之间实现旋转运动的元件。主轴spindle/转子rotor主轴部件中的旋转零件。定子stator主轴部件中的固定零件。回转轴线axisofrotation绕其进行旋转运动的线段。参考坐标轴系referencecoordinateaxes相对于指定对象固定的相互垂直的X轴、Y轴与Z轴的坐标系。注：该指定对象可以是固定的或者是旋转的。正方向positivedirection根据GB/T19660的规定，正方向是指使工件正尺寸增加的运动方向。理想主轴perfectspindle其回转轴线相对于轴线平均线不存在误差运动的主轴。理想工件perfectworkpiece具有绕中心线旋转的理想表面的刚体。轴线平均线axisaverageline相对于参考坐标轴系固定，表示回转轴线平均位置的直线段。轴线偏移axisshift由于条件变化所致的，轴线平均线在刀具和工件之间所发生的准静态相对位移。注：轴线偏移的起因包括热漂移、负荷改变和速度改变。位移传感器displacementsensor用来测量两个规定物体间位移的装置。例如电容传感器、线性可调差动变压器（LVDTs）、涡流测头、激光干涉仪、千分表（度盘式指示器）等。结构环路structuralloop用来保持两个规定物体间相对位置的组件装配体。跳动runout由传感器相对于一个运动面或传感器相对于一个固定面运动而测得的总位移。注1：对于一个部件在某一给定截面内的跳动，参见ISO230-1：1996，5.611.4。注2：术语TIR（totalindicatorreading，指示器总读数）和术语FIM（fullindicatormovement，全跳动）与跳动同义。固定点跳动stationarypointrunout由位移传感器对位于旋转面上的某一点检测所得的总位移。当传感器和该面一起旋转时该点相对于传感器的横向位移可以忽略不计。垂直度squareness/perpendicularity两个平面、两条直线或一条直线和一个平面之间的角度关系，其偏离90°的角度偏差应不超过规定值。注：如果一轴线与一端面运动的极坐标图或不同半径上的两端面运动的极坐标图的极坐标轮廓线中心是重合的，那么就说该平面与该旋转轴线垂直。对于机床而言，运动的垂直度是指在机床一移动部件的一个点的轨迹上，其连续位置相对于一个平面（支承面或导轨），一条直线（轴线或两平面的交线）或另一移动部件上的一点的轨迹间的垂直关系。见ISO230-1：1996中5.5。误差运动errormotion产生于回转轴线敏感方向上的刀具和工件之间的非期望的相对位移。不包括温度、负载或旋转速度的变化有关的轴线移位所致的运动。回转轴线误差运动axisofrotationerrormotion作为主轴转角的一个函数，回转轴线相对于其轴线平均线在位置和方向上的变化。注：该误差运动可用理想圆柱形或球形基准检具进行测量，测量中使其中心线与回转轴线重合。结构误差运动structuralerrormotion受结构环路的弹性、质量及阻尼影响和由内部或外部激励所导致的误差运动。轴承误差运动bearingerrormotion由于有缺陷的轴承所致的误差运动。总误差运动totalerrormotion所记录的全部的误差运动，由主轴结构误差运动的同步误差运动、非同步误差运动两部分构成。静态误差运动staticerrormotion当主轴在一系列不连续的旋转位置上静止不动时取样所测得的误差运动，为误差运动的特殊情况。注：本术语用于排除任何动态影响的误差运动测量。同步误差运动synchronouserrormotion总误差运动的一部分，其出现在主轴旋转频率的整数倍频率上。基本误差运动fundamentalerrormotion总误差运动的一部分，出现在主轴的旋转频率上。残余同步误差运动residualsynchronouserrormotion同步误差运动的一部分，其出现在旋转频率的整数倍频率上，但基本误差运动除外。非同步误差运动asynchronouserrormotion总误差运动的一部分，其出现在不同于旋转频率的整数倍频率上。径向误差运动radialerrormotion在规定的轴向位置处，其方向垂直于轴线平均线的误差运动。纯径向误差运动pureradialerrormotion回转轴线与轴线平均线平行，且在敏感方向上垂直于轴线平均线移动的误差运动。注：纯径向误差运动的概念仅指在没有倾斜误差运动的情况下的径向误差运动。在此并不试图对其进行测量。倾斜误差运动tilterrormotion在一个相对于轴线平均线成一角度的方向上的误差运动。轴向误差运动axialerrormotion与轴线平均线同轴的误差运动。端面误差运动faceerrormotion在一个规定的径向位置上，与轴线平均线相平行的误差运动。误差运动测量errormotionmeasurement误差运动的测量记录包括与机床、仪器设备和检验条件相关的所有信息。误差运动值Errormotionvalue规定转数内，误差运动某一部分的评定数值。总误差运动值totalerrormotionvalue相对于一个规定的误差运动中心，由恰好足以包容总误差运动极坐标曲线图的两个同心圆的经标。同步误差运动值synchronouserrormotionvalue相对于一个规定的误差运动中心，由恰好足以包容同步误差运动极坐标曲线图的两个同心圆的经标定的半径差。非同步误差运动值asynchronouserrormotionvalue沿一条通过规定的极坐标轮廓线中心的径向直线测得的非同步误差运动极坐标曲线图的经标定的最大宽度。基本轴向误差运动值fundamentalaxialerrormotionvalue其数值为从极坐标图卡中心（PC）到由同步误差运动极坐标曲线图的一个规定的极坐标轮廓线中心经标定的距离的两倍。注1：换言之它是在旋转频率上的幅值。注2：不存在基本径向误差运动值。因为，在相应旋转频率上出现的径向运动是由偏离中心的基准检具引起的而并非回转轴线的一个特性。残余同步误差运动值residualsynchronouserrormotionvalue相对于一个规定的误差运动中心，由恰好足以包容残余同步误差运动极坐标曲线图的两个同心圆的经标定的半径差。内部误差运动值innererrormotionvalue相对于一个规定的误差运动中心，由恰好足以包容内部误差运动极坐标曲线图的两个同心圆的经标定的半径差。外部误差运动值outererrormotionvalue相对于一个规定的误差运动中心，由恰好足以包容外部误差运动极坐标曲线图的两个同心圆的经标定的半径差。结构误差运动structuralerrormotion主轴旋转状态下的结构误差运动structuralerrormotionwithrotatingspindle在主轴旋转状态下测得的结构环路的一个元件相对于另外一个元件的运动。注：某些机床的主轴驱动系统可能会向结构传递大的偏差。主轴非旋转状态下的结构误差运动structuralerrormotionwithnon-rotatingspindle在主轴非旋转状态下测量的结构环路的一个或几个元件相对于回转轴线的运动。注：在许多实际应用中，将结构运动源与外部激励源，即对冷却泵或液压泵或由地面振动引起的激励的隔离是很重要的。结构误差运动曲线图structuralerrormotionplot基于时间的直线坐标位移曲线图是记录结构运动的最常见的方法。注：然而，为了分辨与主轴同步旋转的结构误差运动，可能会用到极坐标曲线图。结构误差运动值structuralerrormotionvalue在限定的时间与规定的操作条件下测得的位移值的范围（最大值与最小值之差）。速度变化引起的轴线偏移axisshiftcausedbyspeedchange径向偏移radialshift在垂直于轴线平均线方向上的轴线偏移。倾斜偏移tiltshift在相对于轴线平均线成某一角度方向上的轴线偏移。轴向偏移axialshift在与轴线平均线同轴方向上的轴线偏移。端面偏移faceshift在回转轴线的一个规定的径向位置处测得的轴向偏移与倾斜偏移的组合。速度导致的轴线偏移曲线图speed-inducedaxisshiftplot当转速发生变化时，回转轴线的位置随之变化的直线坐标曲线图。速度导致的轴线偏移值speed-inducedaxisshiftvalue在不同的规定转速条件下，单个位移传感器（或用于倾斜测量和端面测量的组合位移传感器）测得的位移最大值与最小值间的差值。一般要求计量单位在本部分内容中，所有的线性尺寸都用毫米（mm）表示，所有的线性偏差（误差运动）都以微米（µm）表示。此外，所有的角度尺寸都用度（°）来表示，并且所有的角度偏差（误差运动）都用微弧度（µrad）或弧秒（"）来表示。被测轴承a）提供被测轴承供油压力、润滑介质参数和安装结合面。b）确保被测轴承通油、运转顺畅。c）被测轴承在测试之前应通油20min以上，并经过充分运转。检验环境在检验开始前，机床和相关的测量设备应置于检验环境中足够长的时间（放置一整夜比较适宜）以使之在检测前达到热稳定状态。不应置于受气流和外部辐射如阳光、高架暖风机直吹影响的地方。待检回转轴待检回转轴应是装配完毕并经过充分运转。回转轴线的检验应在无负荷条件下进行。注：这并非主轴部件的一种型式检验。由于安装原因、热效应和振动条件的差异，同一个主轴部件在不同机床上进行检验时可能会导致不同的检验结果。回转轴的预热在检验开始之前，应按制造商的规定和/或由供应商/制造商与用户之间所达成的协议，按相应的预热程序进行预热。如果未规定其他条件，预运转应仅限于那些需安装测量装置的回转头、回转和摆动工作台等部件。在确认主轴以其50%的最高转速至少已运转10min后，方可进行主轴的检验。误差运动的检验方法概述由于在敏感方向上的误差运动会在工件上产生一一对应的形状和粗糙度误差，因此它对于机床性能特征有着最重要的影响。垂直于敏感方向的误差运动被认为是在非敏感方向上而不计其影响。但是，在某些情况下（例如车削非常小的零件），它会表现为影响显著的二阶效应。主轴在运动过程中会存在轴向回转误差、径向回转误差和倾角运动误差。利用固定工装将轴承固定在测试台上，使其轴向和径向安装稳固，并保证测试时轴承状态与实际工作时的姿态一致。测量过程要保证旋转足够的圈数，对主轴来说，最少旋转圈数是20圈。为了实现液体静压轴承100nm以内径向回转误差的高精度测量，需要将标准球等基准检具的圆度误差进行分离，常用的测试方法有反向法（Donaldson法）与多点法。反向法图1为反向法测量的基本原理图。T为传感器测头，其测得的信号△在去除了偏心误差之后包括两部分，主轴的回转误差和标准球的圆度误差。图1反向法测量原理图反向法需要两次测量才能实现径向回转误差分离。首先使用位移传感器测量并记录标准球与传感器之间的位移变化；然后将标准球和传感器同时旋转180°，再次测量并记录标准球与传感器之间的位移变化。两次测量数据中均包含标准球的圆度误差和静压轴承的径向回转误差。反向法测量获得的数据与存在下述关系：(1)(2)式中，为标准球圆度误差，为主轴径向回转误差。根据式(3)和式(4)，标准球圆度误差和静压轴承的径向回转误差可以表示为：(3)(4)多点法多点法即多传感器测量法，采用多个传感器对被测工件进行同时测量，通过对多个传感器测量得到的数据进行分析处理从而提取出主轴的形状误差和回转误差。多点法包括两点法、三点法、四点法、五点法等。“三点法”使用一对相互垂直的位移传感器获取主轴径向回转轨迹，使用一个沿轴线方向布置的位移传感器测取轴向回转误差。“五点法”在“三点法”的基础上在不同轴线位置增加一对位移传感器，同步采集两个轴向截面的误差，可获取主轴轴线的倾斜误差。图2多点法测量原理图多点法需要五个位移传感器同时测量实现径向回转误差分离。首先使用角度间隔为、的三个位移传感器同时测量，再使用垂直方向另外两个位移传感器测量，并记录标准球与传感器之间的位移变化。的间距为，的间距为。三组测量数据中均包含对应角度的标准球的圆度误差、静压轴承的径向回转误差、静压轴承的倾斜误差。测量获得的数据存在下述关系：(5)(6)(7)(8)(9)式中，为标准球圆度误差，、为主轴径向回转误差在笛卡尔坐标系下的分量。采用傅里叶级数方法剔除一次谐波消除安装偏心的影响。传感器的读数为，则数据整体偏移量和消除偏心后的测量数据可写成(10)(11)(12)(13)使用系数a、b对三组测量数据进行特定线性组合，得到加权测量数据。与存在下述关系：(14)结合角度间隔、对系数a、b进行选择，消除主轴径向回转误差分量。角度间隔、和系数a、b存在下述关系：(15)(16)工件圆度误差可以使用傅里叶级数表达，存在下述关系：(17)根据式(18)，加权测量数据可以表示为：(18)定义新变量为：(19)(20)定义加权测量数据的傅里叶系数为，则存在下述关系：(21)(22)通过求解工件圆度误差的傅里叶系数，即可求出工件圆度误差。根据式(5)可知，静压轴承的径向回转误差可以表示为：(23)静压轴承同步倾斜误差：(24)式中为传感器1与传感器4的输出值的差值、为传感器2与传感器5的输出值的差值。径向回转误差测试检验装置测量所用的检验装置如图3所示。这个检验装置中，在机床主轴上装有一个精密检验球或其他合适的基准检具，例如一个圆柱体。位移传感器互成直角方向安装于机床工作台上。检验球定心于回转轴线上以使偏心减至最小。主轴的角度位置则由装于主轴上的一个角度测量装置（例如旋转编码器）测得。图3检验装置检验步骤将标准球置于主轴端面，并调整标准球的位置与主轴回转轴线的定心误差不高于5μm；设定主轴电机转速，启动电机，主轴带动标准球做匀速旋转；启动数据采集程序，并设置电机转速、数据采样频率、回转运动圈数；径向误差运动的测量在下述三种主轴转速条件下进行：a）使主轴以其10%的最高转速或以其最低转速旋转，并记录下两个位移传感器上的读数以其作为主轴角度位置的函数；b）使主轴以其50%的最高转速旋转，并记录下两个位移传感器上的读数以其作为主轴角度位置的函数；c）使主轴以其100%的最高转速旋转，并记录下两个位移传感器上的读数以其作为主轴角度位置的函数。数据采集程序自动采集位移传感器的读数与相应的主轴角度；将标准球和位移传感器进行反向，并重复标准球与主轴回转轴线同轴度调整、位移传感器位置调整等工序；再次启动数据采集程序，设置与反向前同样的电机转速、数据采样频率、回转运动圈数，并开始数据采集；数据采集完成后，将获取的数据存入设定的目录中，并记录；启动误差分离程序，将反向前获取的数据和反向后获取的数据导入误差分离程序并运算；计算径向回转误差和标准球圆度误差。数据分析记录作为主轴角度位置函数的主轴相对于固定基准的径向位移，该位移由两个互相垂直分布的位移传感器所测得。测量获得的数据与存在下述关系：(25)(26)式中，为标准球圆度误差，为主轴径向回转误差。径向回转误差为：(27)(28)轴向回转误差测试检验装置测量所用检验装置如图4所示。在这个装置中，机床主轴上装有一个精密检验球。在机床工作台上，正对着检验球的轴向，装有一个位移传感器。检验球定心于回转轴线上以使偏心减小到最低程度。主轴的角度位置可通过一个角度测量装置例如一个装在主轴上的旋转编码器测得。图4检验装置检验步骤将标准球置于静压主轴端面，调整标准球的位置与主轴回转轴线的定心误差不高于5μm；设定主轴电机转速，启动电机，静压主轴带动标准球做匀速旋转；启动数据采集程序，并设置电机转速、测头采样频率、回转运动圈数；分别以10%的主轴最高转速（或主轴最低转速，取较高者）、50%的主轴最高转速和100%的主轴最高转速旋转主轴并记录下位移传感器上的读数，该读数为主轴角度位置的函数。5） 数据采集程序自动采集位移传感器的读数与相应的主轴角度；6） 数据采集完成后，程序自动停止，将获取的数据存入设定的目录中，并记录；7） 计算轴向回转误差。数据分析轴向回转误差采用最大区域法准则进行评价。对进行极坐标曲线的绘制，可以获得误差运动曲线图，求取包含的最小半径同心圆和最大半径同心圆的半径差值，即为主轴轴向回转误差。倾斜误差测试检验装置如图5所示，测量倾斜误差运动时需要对在空间上相分离的两个点上的径向误差运动进行测量。将一个带有两个相隔一定距离的检验球的基准检具或者一个圆柱心轴，连接于主轴上且与主轴回转轴线相对准。表2给出了与不同的主轴尺寸相对应的检验球/位移传感器之间的最小距离