机床主轴的回转误差运动测试(精)

主轴动态回转误差测试及分析作者：沈阳机床来源：《CAD/CAM与制造业信息化》2013年第03期本文探讨了关于数控机床主轴动态回转误差的测试及分析问题，首先简要介绍了回转误差的组成、产生的原因及对加工精度的影响等，然后深入研究了回转误差的计算和分析，并编制了分析程序，提供了具体的分析实例。

一、引言机床主轴回转轴误差运动是指在回转过程中回转轴线偏离理想轴线位置而出现的附加运动，是评价机床动态性能的一项重要指标，是影响机床工作精度的主要因素。

回转轴误差运动的测量和控制，是各种精密设备及大型、高速、重载设备的重要技术问题之一。

通过对回转轴误差运动的测定，可以了解回转轴的运动状态和判断产生误差运动的原因。

机床主轴回转误差的测量方法有打表测量、单向测量和双向测量等。

造成机床回转误差的原因有主轴传动系统的几何误差、传动轴偏心、惯性力变形和热变形等误差，也包括许多随机误差。

通过径向跳动量和轴向窜动量测试实验可以有效满足对回转精度测量的要求。

二、回转误差的运动组成机床主轴的回转误差可以分为三种基本形式：①与回转轴线平行的轴向位移（纯轴向窜动）；②与回转轴线平行的径向位移（纯径向跳动）；③倾斜（纯角度摆动）。

如图1所示。

一般情况下，这三种基本形式的误差是同时存在的，产生的加工误差也是三种形式误差影响的叠加。

径向误差的大小取决于测量头的轴向位置，轴向误差的大小取决于测量头在测量平面上的径向位置。

因此必须说明评定时选择的轴向和径向位置。

三、回转误差产生的原因机床主轴回转误差产生的原因是多种多样的，各种原因对机床主轴运动的影响也不尽相同。

一方面有机床主轴传动系统的几何误差、转动轴系质量偏心产生的误差、所受惯性力变形产生的误差及设备热变形产生的误差等系统性（确定性）误差。

如机床主轴轴系中的轴套、机床主轴轴颈及滚动体的形状误差，特别是滚动件有尺寸误差时，机床主轴将产生有规律的位移。

另一方面，机床主轴回转误差产生的原因还有许多随机误差，如工艺系统的振颤对机床主轴回转的影响等。

探讨机床主轴回转生产误差测试1 概述在机械生产的过程中，对于机床方面的加工技术中会出现多种的问题，其中包含有加工设计中出现的误差。

错误可以避免，但是误差是无法避免的，可以做到的是将误差的值调整到接近正常值的范围之内。

在机床生产中，主轴的回转方面的误差就是一项需要改进的项目。

主轴回转误差发生后，会对机械的零件加工形状和质量造成一定的影响，直接影响到机械零件表面的平滑程度。

其中主轴回转所产生的误差如下图所示：图1 主轴回转误差立体示意图主轴回转生产误差是在机床主轴运行过程中，在一瞬间回转轴线与平行轴线之间发生的水平方向和竖直方向出现的位移差，也就是通常情况下所说的误差。

其中水平轴线是在主轴运动瞬间运动趋势所得到的位移数据后，经过加权得到的平均位置。

主轴回转生产误差主要有三种具体的形式：单一水平轴向跳动、单一竖直轴向跳动和单一偏角转动。

在这三种形式当中，前两者被统一称作主轴轴向回转误差，这两者出现的误差会在机械零件加工中直接对原件后期生产造成一定的影响。

在出现主轴轴向回转误差时，纠正处理起来相对来说较为简单。

只要在主轴的端处安装有位移传感器，在机床运行过程中，主轴发生偏移就可以在传感器中现实出来，技术人员就可以根据位移误差值对机械进行调整。

同时对于机床主轴的回转生产误差值进行测试，寻找最为合适的生产模型。

下面就测试的相关技术进行研究。

2 误差分离测试技术误差分离技术是通过信息源变换或模型参数估计的方式使有用的信号分量与误差分量相分离的—种测量技术。

测量过程是：通过测量方法和测量装置的适当设计，改变误差分量与有用信号间的组合关系，并从信息源（误差分量与有用信号相混迭的信息源）的不同位置拾取信号，再根据在不同位置处拾取的信号间的联系，建立起误差分量与有用信号间的确定的函数关系，最后经相应的运算处理，使误差得以分离。

测量过程的结构模型，如下图所示：图2 误差分离技术结构模型用位移传感器进行主轴回转误差测量时，由于实际的主轴回转轴心是不可见的，不能直接对其测量，而只能通过对装在主轴上的标准件（标准球或标准棒）或主轴外围轮廓的测量来间接测得主轴轴心运动。

综合实验一机床主轴的回转误差运动测试1、实验目的加工高精度的机械零件，对机床主轴的回转精度有非常高的要求。

测量机床主轴的误差运动可以了解机床主轴的回转状态，分析误差产生的原因。

通过机床主轴回转误差运动测试，要求学生：(1) 了解机床的主轴回转误差运动的测试方法。

(2) 熟悉传感器的基本工作原理。

(3) 掌握传感器的选用原则及测试系统的基本组成。

(4) 熟悉并掌握仪器的基本操作方法。

(5) 基本掌握数据处理与图像分析方法。

2、实验原理本实验使用两种方法进行误差运动测试：(1) 带机械消偏的单向法直角座标显示的误差运动测试，见本实验的背景材料中的图1-9。

(2) 电气消偏单向法圆图像显示的回转轴误差运动测试，见本实验的背景材料中的图1-13。

3、实验对象以C6140普通车床的回转主轴为研究对象，测试其在回转情况下的误差运动。

根据测试数据，用图像分析方法表示误差运动，分析误差运动产生的原因。

4、主要实验仪器和设备(1) C6140普通车床(2) 回转精度测试仪(3) 涡流测振仪(4) 信号发生器(5) 双踪示波器(6) 数字式万用表(7) 可调偏心的测量装置5、实验步骤5.1 带机械消偏的单向法直角座标显示的回转轴误差运动测试(1) 按照仪器的操作说明，熟悉系统所用各仪器控制面板上的旋钮、按键的作用及操作方法；(2) 按照原理框图正确地将系统中各仪器的信号线连通；(3) 调整标准盘1(作为补偿信号)和标准盘2(作为误差的测量信号)的偏心量，标准盘2的偏心量e2应尽可能小，仅稍大于被测量轴回转误差值，以保证得到信号即可，偏心量一般调整到0.03mm~0.05mm；标准盘1的偏心量e1应尽可能调大，大到使被测量轴回转误差值相对于偏心量可以忽略不计，及得到一个接近于纯偏心信号的光滑曲线，但因受涡流传感器工作间隙的限制，偏心量无法无限制地加大，一般调到0.40mm~0.60mm即可，并使e1和e2相差180o；(4) 经指导老师检查系统连接正确后，接通电源预热仪器；(5) 按测振仪使用要求调整好涡流传感器的工作间隙；(6) 调整好机床转速，启动机床；(7) 调整测振仪灵敏度，使之满足下面的关系式：e1.k1传感.k1测振仪= e2.k2传感.k2测振仪(8) 将满足以上关系式的两路输出信号经加法器(借用回转精度测试仪后面板上的加法器，此时应将总接口插板抽出)相加，在示波器上得到误差曲线，曲线上最高点与最低点的高度差即为圆度误差的相对值，曲线最大的垂直度即为粗糙度的相对值；(9) 标定，方法为：用正弦信号发生器输出一标准正弦信号，使其幅值为测振仪当前档位（如30um档）的满量程输出的电压值，将该正弦信号送入加法器输入端，在示波器上得到一幅值为A mm的正弦信号，则该测量系统的标定系数为30um/A mm；(10) 求出绝对误差=相对误差(mm)×30um/A mm；(11) 停机床、关仪器，并拆除仪器的所有连接线，整理现场。

东北大学机械设计及理论研究生1105班王晓邦1100541轴回转精度概念及分析机床的工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30％～70％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非常重要。

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置稳定不变，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，并且随着主轴转速的增加，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，将影响平行度等。

1实验目的1）了解机床主轴回转误差运动的表现形式、定义、评判原则、产生原因及对机床加工精度的影响。

2）懂得主轴回转误差的测量方法及实验原理。

3.实验原理（原理框图、仪器性能）主轴回转时，在某一瞬时，旋转的线速度为零的端点联线为主轴在该瞬时的回转中心线。

理想情况下，主铀回转中心线的空间位置，相对于某一固定参考系统应该是不随时间变化的。

实际人由于主轴轴颈不圆、轴承存在缺陷、主轴挠曲、轴支承的两端对轴颈中心线不垂直以及振动等原因，使得主轴回转中心线在每一瞬时都是变动的。

因而，在进行测试数据处理时，往往只能以回转主轴各瞬时回转中心线的空间平均位置作为回转主轴的“理想”中心线。

主轴瞬时回转中心线的空间位置相对理想中心线空间位置的偏差，也就是回转主轴的瞬时误差。

五轴机床回转轴精度检测摘要：与三轴机床相比，五轴机床能加工复杂曲面，具有加工效率高、装夹方便等优点。

然而，五轴机床的结构更复杂，两个回转轴会引入额外的几何误差，从而极大地影响了机床精度。

关键词：五轴机床；误差；检测五轴数控机床是现代制造技术的关键设备，用于加工高精度、复杂的曲面零件，其精度和技术水平在一定程度上决定了当前的工业水准。

五轴数控机床以其加工精度高、可靠性高、柔性好等优点，在航空航天、航海、医疗设备、军事等先进现代制造领域取得了巨大成就，得到了广大用户的认可，为制造企业的进一步研究做好了铺垫。

一、五轴数控机床发展概况五轴加工中心是一种专门用于加工机翼、叶轮、叶片、重型发电机转子等具有复杂空间曲面零件的高科技含量、高精密度的现代数控加工中心。

其优点为：①能加工一般三轴联动机床不能加工或无法一次装夹加工完成的自由曲面，节省装夹次数和时间。

②可提髙空间曲面加工精度、效率、质量。

一直以来，国内五轴数控机床相对于国外整体水平还较低，主要原因在于机床关键功能还未实现自主研发，与国外同类产品相比，国产机床稳定性、精度等指标较差，同时，在高精度技术含量精密机床方面，国外对我国实行技术封闭和进口限制，目前国内市场上的五轴机床仍以进口机床为主。

但国家十分重视机床行业的发展，2009年初启动了“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项，重点支持高档数控机床、基础制造装备、数控系统、功能部件、工具、关键部件、共性技术等方面的研发，且在各高校及相关企业的共同努力下，我国五轴数控机床技术也得到了飞速发展，已逐渐形成为较成熟的产品。

国内著名的五轴数控机床生产厂家有沈机集团、大连机床厂、济南二机床、昆明机床厂、普什宁江机床厂等。

随着经济的发展和国防建设的需要，用户对设备需求正向柔性、生产效率、功能多样和高性能等个性化需求方向转移，由此也促进了数控机床向高速高效化、模块化、高精度和复合加工等方向发展，对带动和提升我国机床工业水平具有重要战略意义。

主轴回转误差测量技术及其仪器调研报告主轴的性能对产品质量的影响至关重要。

当认识了主轴的性能，就可以预测和控制零件的加工精度；工件的位置精度、粗糙度和表面光洁度都与主轴性能有关。

因此，工况下测量主轴的性能是很必要的，只有测量主轴回转才能从更深层面上来控制加工质量，进而加深对机床的了解。

通过测试可以优化主轴转速，通过温升曲线可获知机床的预热时间，通过冲击试验前后数据的对比分析，可检查主轴的损坏程度。

我公司此方面存在的问题目前公司机床主轴装配上只能依赖师傅经验，无法动态测试主轴回转轴心轨迹，亦无法知道机床主轴在磨削受力、温度变化的动态特性。

为提高机床产品精度，为机床主轴加工生产装配提供理论依据，此项试验研究急需开展！一、国内现状1、仪器方面目前国内仪器研制方面主要停留在软件开发方面，数据处理硬件亦无成熟稳定产品，并且需要自行配套传感器及装夹夹具和标准钢球。

主要厂家有：● 北京派莱博测头直径：测头工作面有效直径3mm测量范围：40微米～140微米（间隙）线形度：±0.05% 0.1%分辨能力：1纳米带宽： DC 500HzDC 3kHz2、应用方面国内做主轴轴心轨心测试的主要停留在高校实验室和一些研究所，还有一些飞机制造等精密主轴回转使用。

一方面夹具是自行设计，软件自行开发，另一方面是进口国外成熟的仪器。

二、国外1、仪器方面● Micro-Epsilon（德国） S601-0.2测量范围：200微米线形度：±0.2% 0.4%分辨率：8纳米带宽：6kHz（-3dB）● Lion Precision(美国) CPL290测量范围为100微米时线形度：±0.3%F.S. 0.6%分辨率：0.004% F.S.100微米X0.004%=4纳米带宽：10kHz（5%） 15kHz（3dB）● MTI Instruments(美国) AS9000分辨率：纳米级线性度：0.2%带宽：500Hz（标准）2、应用方面外国精密机床已把主轴回转误差测量作为机床精度检测必选项图为精密车床主轴回转精度检查（白色线为位移传感器，车头主轴端面装有标准钢球）三、美国LION主轴误差测量仪详细技术资料主要功能：可采集跟踪主轴瞬时转速变化、轴心轨迹、轴向位移，热变形配置：电涡流传感器及配套夹具、标准钢球及相关配套夹具、操作控制箱、处理软件。

机床主轴的回转误差对加工精度的影响【关键词】机床主轴的回转误差径向圆跳动轴向窜动纯角度摆动措施【摘要】工艺系统的几何误差是指机床、夹具、刀具和工件的原始误差（机床、夹具、刀具的制造误差以及工件毛坯和半成品所存在的误差等）。

这些误差在加工中会或多或少地反映到工件上去，造成加工误差。

随着机床、夹具、刀具在使用过程中逐渐磨损，工艺系统的几何误差将进一步扩大，工件的加工精度也就相应的降低。

而机床的几何误差包括了：机床的制造精度、安装误差和磨损引起的误差。

在加工过程中也会将这些误差会反映到工件上去，影响加工精度。

一.机床主轴回转误差的概念主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。

产生主轴径向回转误差的主要原因有：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。

因为机床的主轴传递着主要的加工运动，故其回转误差将在很大的程度上决定工件的加工质量。

衡量机床主轴回转误差的主要指标是主轴回转误差的指标是主轴前端的径向圆跳动和轴向窜动。

生产中主要用图1所示的方法来测量这种误差，不同类型和精度的机床，对跳动量有不同的要求，例如：对于普通的中型车床，标准规定，在靠近主轴端面处径向圆跳动允许差值为0.01mm，距第一测点300mm处允许值为0.02mm，轴向窜动允许为0.01mm.图1结论：主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的偏移量。

而主轴的回转误差实际上是其基本形式：径向圆跳动、轴向窜动和纯角度摆动三种误差的合成。

由于主轴实际的回转轴线在空间的位置是在不断的变化的，也就是上述的三种运动所产生的位移（误差）是一个瞬时值。

二.主轴回转运动误差对加工精度的影响一般情况下，只能用一定精度的机床加工出一定精度的工件。

尽管各类机床的精度标准各不同，但归纳起来，车间的所有机床，我们分为：1.主轴误差1）工件回转类车床车床加工（工件回转，刀具移动）误差敏感方向不变即是在加工轴类零件时通过刀刃外（内）圆表面的法线方向。

《制造工艺》机床主轴回转精度实验一、实验目的1、掌握工艺装备运动精度与加工误差的关系；2、熟悉机床主轴运动误差的表现特征、评定方法及测定技术；3、理解主轴回转精度的测定原理和方法，了解机床主轴的回转误差对零件精度的影响。

二、实验装置1、DB1型电容传感器2个2、DWS型超精密振动—位移测量仪2台3、SR2型四踪示波器1台4、ED4710型X—Y记录仪1台5、回转误差测试原件1个6、CA6140车床1台7、磁力表架2个8、杠杆千分表1套9、塞尺1个三、实验原理金属切削机床的主要功能部件是机床的主轴部件和进给运动部件。

主轴部件产生切削主运动，承受可大部分切削力。

因而其运动精度、刚度将直接影响到被加工零件的形状误差、尺寸误差、表面粗糙度等。

机床主轴回转精度是主轴运动精度的评定参数，它是反映机床动态性能的主要指标之一，其运动精度直接制约了被加工件的形状精度。

因而机床主轴回转精度的测定将直接反映了机床的工艺精度。

图1—1 实验原理图 1.基准圆球 2.电容传感器 3.摇摆杆 4.调整螺钉 5.调整球 6.固定心轴主轴回转精度的测试装置如图1—1所示，基准球（件1）用胶粘接在摇摆杆（件3）上，以调整球（件5）为轴节，调整螺钉（件4）与心轴（件6）固紧。

然后用三爪卡盘把心轴夹紧在机床（CA6140）主轴上，把杠杆千分表安装在千分表架上，使杠杆千分表触头与基准球接触，调整螺钉，使基准球的回转轴与机床主轴的回转轴心重合。

在测量中为了便于分析，基准圆球的轴心O'与主轴的回转轴心略有一偏心（一般为5~10μm）。

件2为互成90°安装的两个电容式位移传感器，这种传感器为非接触式，与基准圆球间保持一定的间隙Δ。

一般多用与高速回转主轴精度的测量中。

主轴回转时，由于基准圆球与主轴回转轴心的偏心e 引起主轴轴心漂移，使基准圆球和两传感器之间的间隙发生微小改变，由于间隙Δ的改变而引起电容C 的改变（因∆=πε4S C S —极板面积，Δ—间隙值）即传感器输出一信号，经放大器放大后分别输入到示波器的X 、Y 轴或输入X —Y 记录仪的X 、Y 轴。

主轴作为精密加工机床的核心部件，影响着机床加工精度。

机床的工作性能和寿命都会受到主轴动态误差的影响。

加工工件的圆度、表面粗糙度和平面度都与主轴有关。

通过对主轴动态精度进行测试和分析，为进一步提高机床的加工精度，研发改良型号的机床提供数据支持和理论保障。

因此，主轴的动态误差测试具有重要意义。

国内外很多学者对主轴动态误差进行了大量的研究。

孙艳芬［1］介绍了主轴回转误差的概念及其基本形式，分析了它对加工精度的影响。

王莹等人［2］对主轴系统动态误差和热漂移误差进行了测试与分析。

朱永生等［3］对主轴动态回转误差进行了实验研究，测试分析了主轴回转误差受转速的影响。

许颖等人［4］研究了主轴转速和温升对主轴动态误差的影响。

刘阔等人［5］在不同的转速下对主轴的动态误差进行了测试，并对主轴动态误差随转速的变化进行了分析; 包丽等人［6］结合模态对加工中心主轴动态误差进行了研究。

靳岚等人［7］同时在两个方向上对主轴的回转误差进行动态测试。

以上研究对于主轴动态误差研究有着很大实用价值，实验往往对单一机床在一种测试方法下对主轴进行动态测试，缺乏对比，没有考虑到安装、工况对主轴精度的影响，不能发现同一类型机床产品主轴动态精度变化的普遍规律。

文中对同一批次、同一型号的3 台立式加工中心，分别对主轴动态误差进行测试。

主轴的动态误差测试主要包括径向动态误差、轴向动态误差、最小径向间隙。

综合比对、分析3 台机床数据异同，找出主轴动态误差较大的普遍原因，以提高主轴工作运行的平稳性和加工精度。

1 、主轴动态误差概念及其影响因素主轴动态误差就是主轴在一定转速工作下的回转误差，机床主轴回转是机床最基本的成型运动，是决定工件圆度的主要因素之一。

主轴回转精度可以定义为: 主轴回转线在回转时相对于其平均周线的变动量在误差敏感方向的最大位移［8］。

它可以是径向跳动、轴向跳动或摆动，如图1 所示。

一般情况下3 种误差同时存在，并相互叠加，影响主轴精度。

实验机床主轴的回转误差运动测试随着科学技术的飞速发展，很多行业对回转轴差动误差的测量都极为重视，例如，有许多行业的设备都需要高精度的机械零件，它们的形状误差和表面粗糙程度往往要求在0.1〜0.25卩m以下。

要加工出这样高精度的机械零件，需要多方面的条件来配合才能够满足要求，其中的机床主轴的回转精度是最关键的条件之一。

而测量主轴的误差运动则可以了解机床主轴的回转状态及产生误差的原因，对机床的加工而言，它可以用来预测机床的理想加工条件下所能达到的最小形状误差，并判断产生加工误差的原因。

本实验对如何正确测量机床主轴的误差运动进行一些探讨。

一、有关的基础知识1 轴误差运动理想回转轴线——回转轴运转时，其轴心线在空间的位置稳定不变，即与空间的一条直线相重合，且无轴向的相对移动，我们就称这条固定直线为理想轴线。

文档收集自网络，仅用于个人学习但实际上，回转轴组件由于各零件的加工误差及安装误差存在，它的回转轴线在空间的位置是漂移的，并非固定不变。

文档收集自网络，仅用于个人学习那么，我们就把回转过程中实际的回转轴轴心线对理想线的相对位置的相对位移定义为回转轴的误差运动。

在实际研究中，往往根据不同的研究对象和目的，可以将理想轴线有选择地和不同的元件“固接”在一起。

例如，我们研究轴承时，可以把理想轴线和轴壳“固接”，这时的误差运动是回转过程中回转轴线对轴承壳体的相对运动，反映出轴承的回转质量，如果研究的是加工设备(如机床)，对刀具回转类机床，理想轴线可以与工件“固接”；对于工件回转加工类机床，理想轴线则可与刀具“固接”；这时主轴的回转误差运动就是刀具——工件之间的相对位移，反映出来的是加工误差。

文档收集自网络，仅用于个人学习但应注意，回转误差运动是一个复杂的合成误差，它是由几个方向的误差所组成，下面来具体分析(见图1-1)：文档收集自网络，仅用于个人学习总的来讲，实际回转轴线对理想轴线AB 在每一个瞬间的相对运动可以分解为三类五个运动：纯轴向运动z(t)，纯径向运动x(t)和y(t)，倾角运动a (t)和p (t)。