#背景資料綜合實驗一機床主軸回轉(zhuǎn)誤差運動測試

1、實驗一機床主軸的回轉(zhuǎn)誤差運動測試隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，很多行業(yè)對回轉(zhuǎn)軸差動誤差的測量都極為重視，例如， 有許多行業(yè)的設備都需要高精度的機械零件，它們的形狀誤差和表面粗糙程度往往要求 在0.10.25卩m以下。要加工出這樣高精度的機械零件，需要多方面的條件來配合才能 夠滿足要求，其中的機床主軸的回轉(zhuǎn)精度是最關(guān)鍵的條件之一。而測量主軸的誤差運動 則可以了解機床主軸的回轉(zhuǎn)狀態(tài)及產(chǎn)生誤差的原因，對機床的加工而言，它可以用來預 測機床的理想加工條件下所能達到的最小形狀誤差，并判斷產(chǎn)生加工誤差的原因。本實驗對如何正確測量機床主軸的誤差運動進行一些探討。一、有關(guān)的基礎知識1軸誤差運動理想回轉(zhuǎn)軸線回轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)

2、時，其軸心線在空間的位置穩(wěn)定不變，即與空間的一條直線相重合，且無軸向的相對移動，我們就稱這條固定直線為理想軸線。但實際上，回轉(zhuǎn)軸組件由于各零件的加工誤差及安裝誤差存在，它的回轉(zhuǎn)軸線在空 間的位置是漂移的，并非固定不變。那么，我們就把回轉(zhuǎn)過程中實際的回轉(zhuǎn)軸軸心線對理想線的相對位置的相對位移定 義為回轉(zhuǎn)軸的誤差運動。在實際研究中，往往根據(jù)不同的研究對象和目的，可以將理想軸線有選擇地和不同 的元件“固接”在一起。例如，我們研究軸承時，可以把理想軸線和軸殼“固接”，這 時的誤差運動是回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線對軸承殼體的相對運動，反映出軸承的回轉(zhuǎn)質(zhì)量， 如果研究的是加工設備(如機床)，對刀具回轉(zhuǎn)類機床，理想軸

3、線可以與工件“固接”； 對于工件回轉(zhuǎn)加工類機床，理想軸線則可與刀具“固接”；這時主軸的回轉(zhuǎn)誤差運動就 是刀具一一工件之間的相對位移，反映出來的是加工誤差。但應注意，回轉(zhuǎn)誤差運動是一個復雜的合成誤差，它是由幾個方向的誤差所組成，下面來具體分析(見圖1-1):總的來講，實際回轉(zhuǎn)軸線對理想軸線 AB在每一個瞬間的相對運動可以分解為三類 五個運動：純軸向運動z(t)，純徑向運動x(t)和y(t)，傾角運動a (t)和B。從分解的五種運動的特點可看出，徑向誤差運動r(t)是由純徑向運動x(t)、y(t)和傾 角運動a (t)、B合成的結(jié)果。由于傾角運動a (t)、B (t)的存在，在不同的位置上所檢測出

4、的誤差運動(徑向的端 面的)大小是不相同的，因此，我們在討論徑向誤差運動r(t)和端面誤差運動f(t)時，應指明測量點的軸向位置和徑向的半徑位置(見圖 1-2)。(a)誤差運動坐標系統(tǒng)(b)軸向誤差運動(c)純徑向誤差運動和傾角誤差運動(e)端面誤差運動(d)徑向誤差運動的分解圖1-1誤差運動分解示意圖圖1-2不同測點的誤差運動分析2誤差敏感方向由于直接測量主軸的回轉(zhuǎn)誤差運動比較困難，而且我們研究切削機床和測量主軸回 轉(zhuǎn)誤差運動的目的是考察誤差運動對加工誤差或測量誤差的影響。而不是誤差運動的本 身。因此只需要測量出誤差運動中對加工精度影響最大的那個方向的分量。這樣就存在 一個誤差敏感方向的概念

5、。誤差的敏感方向一一指與一個通過瞬時加工點（或測量點），并垂直于理想工件形 成表面誤差的直線相平行的方向。沿這個方向的回轉(zhuǎn)誤差運動對加工誤差（或測量誤差） 影響很大。誤差運動以1:1的關(guān)系直接轉(zhuǎn)化為加工誤差（或測量誤差）。而其它方向的 誤差運動的影響比敏感方向小。其影響程度視該誤差運動在敏感方向的投影大小而定， 與敏感方向相垂直的方向稱非敏感方向。該方向的誤差運動對加工誤差影響極小。例如：車削加工時（圖1-3）。工件半徑為Rw。當?shù)毒咴赬方向移動Sn時所產(chǎn)生 的加工誤差為 丫。其兩者是相等的。即CC Y=S N故X方向為敏感方向。而在與X垂直的y方向若移動Sn，則產(chǎn)生的誤差厶丫為2 y（ Sn

6、）/2Rw根據(jù)此式，若Sn與Sn屬于同一個數(shù)量級時，完全可以忽略非敏感方向上的誤差運 動Sn對加工誤差的影響。根據(jù)敏感方向的特點，可以將機床分為固定敏感方向類（車床類）和回轉(zhuǎn)敏感方向 類（鏜床類）。上例所說的是固定敏感方向，但還有一類機床，其主軸回轉(zhuǎn)時各方向的誤差運動對 加工誤差具有相同程度的影響。即可以把任何方向都看作敏感方向。測定誤差運動相當 于確定主軸軸線在空間的位置。這類機床屬于回轉(zhuǎn)敏感方向類。但是，根據(jù)一個矢量可 以分解為兩個相互垂直的分量的原理。我們可以認為這類主軸在回轉(zhuǎn)時具有相互垂直的 兩個敏感方向。這是我們簡化測量方法的理論依據(jù)。A rRw- Rw ' SNSN =：r

7、，空2Rw（a）敏感方向的誤差運動（b）非敏感方向的誤差運動圖1-3誤差運動和敏感方向3圓圖像在示波器的水平、垂直兩個輸入端分別加以正弦波電壓時，在熒光屏上顯示出的圖 形為李沙育圖形。設加上兩個頻率相同，但幅值和相位不同的正弦電壓。卩 y=Uysin®（a）卩 x= Uxsin（ 31+ 書）（b）卩y、卩x加在水平、垂直端的電壓瞬時值。mVUy、Ux兩輸入端的電壓峰值。mV3角頻率。rad/s書初相角。radt時間。s將（a）式代入（b）式并化簡。得2此方程為一斜橢圓方程，UxUyUy 2.2-2 cos + () =sin ibUxUyUyb =0b =90。0< b &l

8、t;90。當 b =90、Uy= Ux=U，即b值不同，熒光屏上的圖像也不同為一條斜線為一個橢圓（X、y向幅值不同）均為斜橢圓卩 y=Usin 31卩 x=UC0S3 t時。熒光屏顯示為一正圓圖象。（見圖1-4）（基為了研究加工誤差直觀，主軸回轉(zhuǎn)誤差運動的圓圖象可以看成是由一個正圓圖像準圓）上疊加上回轉(zhuǎn)誤差運動在敏感方向上的分量而形成。（見圖1-5）圖1-4正圓圖像圖1-5誤差運動圓圖像二、測量方法（一）回轉(zhuǎn)誤差運動測量結(jié)果的表達方式* x（日）（b）圓圖像（a）直角坐標形式圖1-6誤差運動測量結(jié)果的表達形式回轉(zhuǎn)誤差運動的測量結(jié)果，一般是記錄成一定的圖像然后加以分析在確定其特性和量值。通常是以

9、直角坐標或極坐標的形式加以記錄。 極坐標用得最多的圓圖像（見圖1-6）直角坐標形式一一以主軸轉(zhuǎn)角為自變量，誤差運動為因變量所表達的圖形。圓圖像一一以轉(zhuǎn)角為自變量。某種誤差運動為因變量的極坐標圖形，與普通極坐標 圖形的不同之處：普通的幅值由原點計起圓圖像 幅值由基準圓的圓周計起。（二）測量方法主軸回轉(zhuǎn)誤差運動的測量方法很多?？偟膩碇v有打表法、單向法、雙向法。下面介 紹前2種常用的方法。1.打表法用一千分表測量主軸軸頸或檢驗心棒的徑向跳動量，方法是將千分表表頭壓在檢驗 心軸表面上，低速轉(zhuǎn)動（或用手轉(zhuǎn)動）主軸。其千分表最大最小值之差即為測量結(jié)果。 其值包括三方面的誤差： 被測表面幾何中心對回轉(zhuǎn)軸中心

10、的偏差； 被測表面的形狀誤差； 主軸在極低轉(zhuǎn)速下的某些誤差運動。由此法測得的結(jié)果不能反映主軸工作狀態(tài)的誤差運動。并含有很多非誤差運動成份。 它只能觀察到兩個極限值，不能加以記錄。因此無法進行分析而找出產(chǎn)生誤差的原因。2.單向法（結(jié)果以直角坐標和圓圖像顯示）直角坐標顯示，此方法適合用于被加工工件回轉(zhuǎn)類的機床。即固定敏感方向的誤 差運動測量。這種方法是將測量傳感器模擬刀具安裝在刀架的方位上。方向與被加工面垂直（見 圖1-7）。若選用一個精度很高的試件（其形狀誤差與被測機床的誤差運動相比完全可以 忽略不計）。則傳感器輸出為該工作狀態(tài)下對應測點位置的徑向誤差運動和被測表面安 裝偏心所產(chǎn)生的誤差之和。表

11、現(xiàn)為在一正弦分量上（偏心誤差）疊加上誤差運動在敏感 方向的分量，如圖1-8所示。如圖1-8所示的圖形不便于判斷分析結(jié)果。必須要克服偏心的影響。即應在和值中 消除由偏心所產(chǎn)生的正弦分量?？朔挠绊懙姆椒ê芏?，有電氣的，也有機械的。下 面介紹一種機械方法消偏的裝置及系統(tǒng)（是一種實際使用的測量系統(tǒng)）。圖1-9是該測試系統(tǒng)的簡圖。采用的方法是：用兩個標準盤，將其偏心方向相差180。 安裝，使其偏心所引起的正弦分量相等。兩者相加時互相抵消來達到消偏的目的。（見 圖 1-10）主軸箱標準試件傳感器傳感器測振儀示波器圖1-7單向法直角坐標顯示測試系統(tǒng)簡圖（a）以上兩者之和（即: 示波器上顯示的圖形）圖1-

12、8單向法直角坐標顯示的圖形分析圖1-9帶機械消偏的單向法直角坐標顯示測試系統(tǒng)簡圖調(diào)整方法：高精度圓盤安裝時，調(diào)整安裝偏心。使其偏心量 e2、ei,（傳感器工作 間隙受限，大約為10倍的關(guān)系即可），偏心方向相差180。，然后調(diào)整測振儀、傳感器靈 敏度，使測振儀的輸出幅度相等。即滿足下面的關(guān)系：e1 .k1傳感.k1測振儀=e2.k2傳感.k2測振儀其中，&、 e圓盤偏心量；k 1傳感k2傳感 -一傳感器敏度系數(shù)；k1測振儀k2測振儀測振儀1、2通道靈敏度。由于偏心量e2較小，測振儀的輸出應為偏心信號與誤差運動之和；而e1較大，誤差運動相對e1基本上可以忽略，所以測振儀的輸入波形為一近似的

13、正弦信號。I SnJ -周 t圖1-10消偏原理 將以上兩個信號輸入加法器相加，消除了偏心 的影響，得到誤差運動在 敏感方向上的分量值。粗檢度圖1-11消偏的誤差運動圖像及其處理方法利用機床尾部的同步控制信號對示波器的掃 描周期進行控制，使熒屏上所顯示的正好是主軸一 周的誤差運動信號，而且每周的顯示起點均為在主 軸的相同方位上記錄下重復掃描的誤差信號（用照 像法），如圖1-11所示。以重復顯示綜合曲線的最 高點和最低點的位置對應的尺寸作為加工時的 形狀誤差（在理想加工條件下達到的最小形狀誤 差），曲線的最大寬度作為加工的粗糙度誤差（在 理想加工條件下所能達到的最小誤差）。這種方法的最后結(jié)果以直

14、角坐標顯示。也能預示加工可能達到的最好精度，但圖像不直觀圓圖像顯示方法（僅介紹一種） 該方法采用的測試系統(tǒng)框架圖與前一種大致接近。參看圖1-12。回轉(zhuǎn)精度測試儀（萬用測試儀 DDL5B ）系主軸回轉(zhuǎn)精度的專用測試儀器，它由一系列的 濾波器、移相器、乘法器、加法器、放大器等組成。其回轉(zhuǎn)誤差運動測試框圖如圖1-13所示，其基圓的產(chǎn)生由調(diào)整內(nèi)部的電路參數(shù)來完成，信號的消偏也采用電氣方法進行（參看圖1-13）。示波器圖1-12單向法圓圖像顯示測試系統(tǒng)簡圖傳感器測振儀示波器移相器By乘法器1A乘法器2加法器1加法器2VUl VU1 r/i 被測轉(zhuǎn)軸帶通i1消偏電1/路框冬,r /11限幅器iin帶通ii

15、1產(chǎn)生基圓 電路框圖| 加法器3 一移相器A放大器1F帶通IIIO消偏監(jiān)測圖1-13回轉(zhuǎn)誤差運動測試儀原理框圖通過示波器顯示出圓圖像，圓圖像的圓度誤差值（即主軸回轉(zhuǎn)誤差運動值，用最小 二乘方圓處理得出）P+V。P從基圓圓周起，圓外點最大距離；V從基圓圓周起，圓內(nèi)點最大距離；P+V描述了隨即點不在同一圓周的離散程度。所給出 P+V的值還是一個相對值。要 想得到誤差的絕對值，必須進行標定。標定方法是：在儀器S端輸入被測信號。經(jīng)過儀器電路參數(shù)調(diào)整后得到基圓。然后在R輸入端接入一標準正弦信號（此信號頻率必須大于被測信號兩倍以上），在示波器上得到一花瓣 圖形。調(diào)整標準信號頻率（標準信號頻率必須是被測信號的整數(shù)倍），使圖形穩(wěn)定。調(diào) 整信號幅度，使其等于測振儀當前量程