下载文档原格式
加工中心主轴回转精度试验发布时间：2021-08-10T09:24:06.030Z 来源：《中国电气工程学报》2021年第六卷3期作者：赵彦鹏，王林，廖广宇，韩玉稳，董应明[导读] 作为精密机床使用的加工中心。
主轴回转运动误差主要由轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种形式分别对加工精度造成影响。
赵彦鹏，王林，廖广宇，韩玉稳，董应明云南省机械研究设计院/云南省机电一体化应用技术重点实验室，云南昆明 650031摘要：作为精密机床使用的加工中心。
主轴回转运动误差主要由轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种形式分别对加工精度造成影响。
对加工中心主轴回转精度进行测量，介绍测量的方法，后期数据处理并进行误差分析。
关键词：主轴回转精度；三点法；数据处理；误差分析现代制造业的飞速发展，产品的制造精度要求越来越高，对于工业母机的机床的要求也更加高。
特别是作为精密机床使用的加工中心。
主轴回转运动误差主要由轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种形式分别对加工精度造成影响。
主轴回转精度的检测是机床设计、制造、调整和维修的重要环节，是提高机床加工精度的重要措施。
1、机床主轴回转精度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。
2、加工中心主轴回转精度试验2.1试验内容及目的被测对象为TGK4663A加工中心主轴，采用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。
2.2试验参考依据GB/T17421.7 《机床检验通则第七部分;回转轴线的几何精度》2.3测量装置及示意图2.5试验条件（1）试验的机床为按相关国家、行业等标准检验合格的产品；（2）试验前让主轴以中速（3000r/min）空运转30min；（3）试验前校正测量棒，在安装传感器位置处，使测量棒的径向跳动小于15μm；（4）试验时，传感器距主轴前定位端盘距离为180mm；（5）试验时，X轴、Y轴、Z轴及B轴不做进给运动。
简要叙述机床回转轴回转精度检测的实验方案如何检测机床主轴回转的精度【按】由于机床回转误差可能会造成主轴传动系统的几何误差、传动轴偏心、惯性力变形、热变形等误差，也包括许多随机误差，所有机床主轴回转精度的检测，便成了评价机床动态性能的一项重要指标。
通过径向跳动量和轴向窜动量测试实验可以有效的满足对回转精度测量的要求。
检测机床主轴回转精度的方法有打表测量、单向测量、双向测量等几种。
一、机床主轴回转精度测量的理论与方法机床主轴回转精度是衡量机械系统性能的重要指标，是影响机床工作精度的主要因素。
机床主轴回转误差的测量技术对精密机械设备的发展有着重要作用。
机床主轴的回转误差包括径向误差和轴向误差。
轴向回转误差的测量相对比较简单，只需在机床主轴端面安装微位移传感器，进行一维位移量的测量即可。
因此机床主轴回转误差测量技术的研究焦点一直集中在径向误差的精确测量上。
（参阅数控机床主轴轴承的温度控制与其工作原理阐述）1）打表测量方法早期机床主轴回转精度不太高时，测量机床主轴误差的常用方法是将精密芯棒插入机床主轴锥孔，通过在芯棒的表面及端面放置千分表来进行测量。
这种测量方法简单易行，但却会引入锥孔的偏心误差，不能把性质不同的误差区分开，而且不能反映主轴在工作转速下的回转误差，更不能应用于高速、高精度的主轴回转精度测量。
除此之外也有采用测量试件来评定主轴的回转误差。
2）单向测量方法单向测量法又称为单传感器测量法。
由传感器拾得“敏感方向”的误差号，经测微仪放大、处理后，送入记录仪，以待进一步数据处理。
然后以主轴回转角作为自变量，将采集的位移量按主轴回转角度展开叠加到基圆上，形成圆图像。
误差运动的敏感方向是通过加工或测试的瞬时接触点并平行于工件理想加工的表面的法线方向，非敏感方向在垂直于第三方向的直线上。
单向测量法测量的主轴回转误差运动实质上只是一维主轴回转误差运动在敏感方向的分量。
因此单向测量法只适用于具有敏感方向的主轴回转精度的测量，例如工件回转型机床。
回转精度分析与测试方法回转精度的测试方法及原理作回转运动的主轴，可将其看成为一个刚体，它与自由运动刚体的差别仅在于空间直角坐标系中，它只有一个旋转运动的自由度，其它五个自由度应完全被约束，满足这种条件时，回转主轴为理想主轴，事实上，任何精度轴系，其被约束的自由度都作微小量的运动，并对主轴的旋转运动产生影响，造成回转运动误差，当主轴作为一个部件存在于一台机器中时，主轴回转轴线在空间五个自由度上的误差分量，并不是等量影响轴系的精度，而是具有其敏感方向的，往往因机器用途不同，而其误差对整机的影响不同。
转台主轴回转轴线轴向和径向的平动，不影响转台主轴的指向，其主轴回转运动误差的敏感方向，是两个自由度上的角度摆动。
因此，转台轴的倾角回转误差指的是回转轴相对于回转轴线平均线的倾角变化量。
造成回转误差的主要有：1、台体框架扭转变形造成的误差，这与框架的扭转刚度和轴承的摩擦系数以及驱动时的力矩不平衡等因素有关，由于该误差很小，可忽略不计；2、轴系和滚珠的磨损、间隙和跳动的误差，如果选择合适的轴系可使误差达到很小的程度；3、台体安装中由于检测端轴和测角端轴双轴的不同心度和不平行度引起的误差，这是U 型框架所特有的结构造成的，而且实践也证明这是机械回转误差的主要来源。
在测试方式上，通常可以使用水平仪、千分表或者平行光管来测量。
这里介绍用平行光管测试回转精度的方法。
在这种方法中用到的仪器有平行光管、平面镜、数显电箱以及专门设计的夹具。
下面介绍一下平行光管的工作原理。
自准直仪（又称自准直测微平行光管，简称平行光管）是一种应用光学自准直成像测微原理工作的高精度测试仪器。
它把准直仪和望远镜合二为一，利用光学自准直法，把角度量变化为线性量，通过测微器测出其线性变化从而间接地把角度测量出来，并由此确定测量反射面微小角度变化。
如果反射镜面与光束不垂直，而是偏转一个小角度α，那么当平行光轴的光线射向反射镜时，光线按反射定律与原光线成2α返回，通过物镜后成像在焦平面分化板上的处，与原目标不重合而有'的位移量（即为x）。
机床主轴测试实验报告1. 引言机床主轴作为机床的核心组成部分，对于加工精度和效率具有重要影响。
为了保证机床主轴的质量和性能，进行测试是必要的。
本实验旨在通过一系列测试，评估机床主轴在不同工况下的性能指标，为机床的使用者提供参考。
2. 实验目的1. 测试机床主轴的回转精度；2. 测试机床主轴的径向跳动和轴向跳动；3. 测试机床主轴的最大转速；4. 测试机床主轴的稳定性和平稳性。
3. 实验装置和方法3.1 实验装置本实验使用的主要装置有：- 机床主轴测试仪：用于测试主轴的转动精度和跳动情况；- 主轴转速计：用于测量主轴的转速；- 高精度测量工具：包括示波器、千分尺等。
3.2 实验方法1. 回转精度测试：通过在主轴上安装测量标尺，利用示波器测量标尺的波形，评估主轴的回转精度。
2. 跳动测试：使用示波器和千分尺测量主轴的径向和轴向跳动情况。
3. 最大转速测试：利用主轴转速计，逐渐增加主轴转速，记录并测量主轴的最大转速。
4. 稳定性和平稳性测试：连续运行主轴一定时间，在不同转速下观察主轴的稳定性和平稳性。
4. 实验结果与分析4.1 回转精度测试结果经过测试，得到主轴的回转精度为0.005 mm。
根据要求，机床主轴的回转精度应在0.01 mm以内，因此主轴的回转精度在合理范围内。
4.2 跳动测试结果径向跳动测试结果显示，主轴的径向跳动在0.02 mm以内，轴向跳动在0.01 mm以内。
根据标准，机床主轴的径向跳动和轴向跳动应在0.03 mm以内，因此主轴的跳动情况符合要求。
4.3 最大转速测试结果经过测试，主轴的最大转速为8000 rpm。
根据要求，机床主轴的最大转速应在6000 rpm以上，因此主轴的最大转速符合要求。
4.4 稳定性和平稳性测试结果在连续运行主轴2小时的实验中，主轴的转速保持稳定，无明显波动。
在不同转速下，主轴的转速变化不超过2%，达到了平稳运行的要求。
5. 结论通过本次实验，得到了以下结论：1. 机床主轴的回转精度、跳动情况、最大转速以及稳定性和平稳性都符合要求；2. 主轴的回转精度为0.005 mm，径向跳动和轴向跳动均在0.03 mm以内；3. 主轴的最大转速为8000 rpm，稳定性测试显示转速变化不超过2%。
普通卧式车床精度检验项目。
检验方法及公差·现以卧式车床为例说明对其某些项目的检验。
实验一．主轴的精度检验根据车床精度标准，主轴几何精度检验共有5项内容。
1)主轴的轴向窜动。
在主轴内锥孔中插入一短检验棒，在检验棒端部中心孔内置一钢球，千分表的平测头顶在钢球上(见表9-6G4检验方法简图)对主轴作用一进给力F，旋转主轴，千分表读数的最大差值就是主轴的轴向窜动误差。
在机床上加工工件时，主轴的轴向窜动误差会引起工件端面的平面度和螺纹的螺距误差及工件的外圆表面的粗糙度误差。
2)主轴轴肩支承面的端面圆跳动。
将千分表测头顶在主轴轴肩支承面的靠近边缘处，对主轴施加一进给力F，分别在相隔90度的4个位置上进行检测，4次测量结果的最大差值是主轴轴肩支承面的跳动误差值。
用卡盘夹持工件加工时，主轴轴肩支承面的跳动误差会引起加工面与基准面的同轴度误差、端面与内、外圆轴线的垂直度误差。
3)主轴定心轴颈的径向圆跳动(见表9-6G5检验方法简图)。
将千分表测头垂直顶在定心轴颈的圆锥表面或圆柱表面上，对主轴施加进给力F，旋转主轴进行检验。
千分表读数最大差值就是主轴定心轴颈的径向圆跳动误差值。
用卡盘加工工件时，主轴定心轴径的径向圆跳动误差会引起圆度误差和加工面与基准面的同轴度误差，多次装夹则会引起加工件各个表面轴线的同轴度误差，钻、扩、铰孔时，会使孔径扩大。
4)主轴锥孔轴线的径向圆跳动(见表9-6G6检验方法简图)。
在主轴锥孔中插入一检验棒，将千分表测头顶在检验棒的外圆柱表面上。
旋转主轴，在靠近主轴端部的a处和距离主轴端面不超过300mm的b处分别进行检测与计算。
千分表读数的最大差值就是主轴轴线的径向圆跳动误差。
为了消除检验棒自身误差对检验的影响，可将检验棒拨出相对主轴转过90。
，再次插入测量。
重复4次，取4次测量结果的平均值作为该项目的几何精度检验误差值。
用两顶尖装夹工件加工外圆时，主轴锥孔轴线的径向圆跳动会引起工件的圆度误差和外圆与顶尖孔的同轴度误差，多次装夹工件会引起加工各表面轴线之间的同轴度误差。
主轴回转误差实验报告实验目的本实验旨在通过实际操作和测量，研究和分析主轴回转误差对机械设备性能的影响，探讨如何减小主轴回转误差，提高机械设备的精度和稳定性。
实验器材和装置1. 主轴回转误差测量装置2. 测距仪3. 机械设备样品实验原理主轴回转误差是机械设备中一种常见的误差，主要由制造精度、加工工艺和使用磨损等因素引起。
在高精度加工和装配过程中，主轴的回转误差会导致零件位置偏差、加工表面粗糙度增加、噪音增大等问题。
通过测量和分析主轴回转误差，可以找到改进设备性能的方法并提高装配精度。
实验步骤1. 将主轴回转误差测量装置安装在机械设备的主轴上。
2. 调整测距仪，使其能够准确测量主轴回转误差。
3. 将机械设备启动，并记录主轴回转误差的测量数据。
4. 根据测量数据，分析主轴回转误差的变化规律和大小。
5. 制定改进方案，通过调整机械设备的零部件和相关参数，减小主轴回转误差。
6. 实施改进方案，并重新测量主轴回转误差。
7. 比较改进前后的测量数据，评估改进效果。
数据处理与分析通过实验测量得到的数据如下表所示：实验次数主轴回转误差（mm）1 0.052 0.073 0.064 0.085 0.06平均值0.064通过对实验数据的分析，可以得出以下结论：1. 主轴回转误差的大小在0.05-0.08mm之间波动。
2. 根据平均值计算，主轴回转误差大约为0.064mm。
实验结果与讨论通过实验数据的分析，可以看出机械设备的主轴回转误差存在一定的波动，且平均误差较小。
根据此次实验的结果，可以制定以下改进方案：1. 使用更高精度和更坚固的零部件替换原有的部件，以提高机械设备的稳定性和耐磨性。
2. 在加工过程中增加必要的润滑剂和冷却装置，减小摩擦和热变形对主轴回转误差的影响。
3. 定期检查和维护主轴和相关设备，及时发现和修复可能引起主轴回转误差的问题。
这些改进方案的实施将有助于减小机械设备的主轴回转误差，提高加工精度和装配质量。
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。
专利名称：一种高频主轴的回转精度动态测试装置以及该装置的使用方法
专利类型：发明专利
发明人：郭淼现,叶逸,江小辉,丁子珊
申请号：CN201910441040.2
申请日：20190524
公开号：CN111982035A
公开日：
20201124
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种高频主轴的回转精度动态测试装置，包括：至少两个测试部以及连接部，测试部包括底板；底座，设置在底板上，具有第一凹槽，该第一凹槽内设置有第一光杆，该第一光杆沿第一水平方向延伸，具有第一端部和第二端部；滑台，套设在第一光杆上；第二光杆，具有第三端部和第四端部，第三端部固定在滑台上，第二光杆沿第二水平方向延伸，该第二水平方向和第一水平方向垂直；传感器支架，套设在滑台以及第二光杆上；第一千分尺，设置在底座上，并且靠近第一端部；第二千分尺，设置在滑台上，并且靠近第四端部；位移传感器，设置在传感器支架上，相邻测量部之间通过连接部垂直连接在一起。
申请人：上海理工大学
地址：200093 上海市杨浦区军工路516号
国籍：CN
代理机构：上海德昭知识产权代理有限公司
代理人：郁旦蓉
更多信息请下载全文后查看。
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。
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。
主轴动态回转精度测试介绍一、前言数控机床主轴组件的精度包含以下两个方面：1.几何精度-主轴组件的几何精度，是指装配后，在无负载低速转动(用手转动或低速机械转速)的条件下，主轴轴线和主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动，以及主轴对某参考系统(如刀架或工作台的纵、横移动方向)的位置精度，如平行度和垂直度等；2.回转精度-指的是主轴在以正常工作转速做回转运动时，轴线位置的变化。
二、主轴回转精度的定义主轴在作转动运动时，在同一瞬间，主轴上线速度为零的点的联机，称为主轴在该瞬间的回转中心线，在理想状况下，主轴在每一瞬间的回转中心线的空间位置，相对于某一固定的参考系统(例如：刀架、主轴箱体或数控机床的工作台面)来说，应该是固定不变的。
但实际上，由于主轴的轴颈支承在轴承上，轴承又安装在主轴箱体孔内，主轴上还有齿轮或其它传动件，由于轴颈的不圆、轴承的缺陷、支承端面对轴颈中心线的不垂直，主轴的挠曲和数控机床结构的共振等原因，主轴回转中心线的空间位置，在每一瞬时都是变动的。
把回转主轴的这些瞬间回转中心线的平均空间位置定义为主轴的理想回转中心线，而且与固定的参考坐标系统联系在一起。
这样，主轴瞬间回转中心线的空间位置相对于理想中心线的空间位置的偏离就是回转主轴在该瞬间的误差运动。
这些瞬间误差运动的轨迹，就是回转主轴误差运动的轨迹。
主轴误差运动的范围，就是所谓的「主轴回转精度」。
由此可见，主轴的回转精度，说明回转主轴中心线空间位置的稳定性特点。
三、主轴回转精度量测3.1 主轴回转误差运动的测量与研究目的对主轴回转误差运动的测量和研究有两方面的目的：(1).从设计、制造的角度出发，希望通过测量研究找出设计、制造因素与主轴误差运动的关系，及如何根据误差运动的特点，评定主轴系统的设计和制造质量，同时找出产生误差运动的主要原因，以便做进一步改善。
(2).从使用的角度出发，希望找出主轴运动与加工精度和表面粗糙度的关系，及如何根据误差运动的特点，预测出数控机床在理想条件下所能加工出的工件几何与表面粗糙度，给选用数控机床及设计数控机床提出依据。
主轴回转精度的计算机测试及数据处理
张骥
【期刊名称】《职大学报》
【年(卷),期】2001(000)004
【摘要】本文介绍使用微机系统对主轴回转精度进行测试及数据处理.
【总页数】3页(P39-40,70)
【作者】张骥
【作者单位】苏州市职工科技大学,215004
【正文语种】中文
【中图分类】TG8
【相关文献】
1.X62W铣床主轴回转精度的测定及数据处理 [J], 李少珍
2.主轴径向回转精度测定中数据处理有关问题的研究 [J], 沈刚
3.主轴回转精度微要测量系统及误差数据处理分析 [J], 陈永志
4.主轴径向回转精度测定中的数据处理研究 [J], 沈刚
5.机床主轴回转精度测量数据处理的研究 [J], 柴琳;胡光
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
实验主轴回转精度的测定
一、 概述
随着机械制造业的发展，对零件的加工精度要求越来越高，由此对机床精度要求也越来越高。
作为机床核心——主轴部件的回转误差运动，直接影响机床的加工精度，它是反映机床动态性能的主要指标之一，在《金属切削机床样机试验规范》中已列为机床性能试验的一个项目。
多年来，国内外一直在广泛开展对主轴回转误差运动测量方法的研究，并取得一定的成果。
研究主轴误差运动的目的，一是找出误差产生的原因，另一是找出误差对加工质量影响的大小。
为此，不仅对主轴回转误差运动要能够进行定性分析，而且还要能够给出误差的具体数值。
过去流行的测试与数据处理方法，是传统的捷克VUOSO双向测量法和美国LRL单向测量法。
前者适用于测试刀具回转型主轴径向误差运动,后者适用于测试工件回转型主轴径向误差运动。
两种方法都是在机床空载或模拟加工的条件下，通过对基准球(环)的测量，在示波器屏幕上显示出主轴回转而产生的圆图象。
将圆图象拍摄下来便可用圆度样板读取主轴径向误差运动数值。
这种测试方法虽然能够在试验现场显示图形，直观性强，便于监视机床的安装调试，但也存在一些不足，如基准钢球的形状误差会复映进去，不能反映切削受载状态,存在一定的原理误差等。
所以测量精度难以提高，实际应用受到一定限制。
经过多年的研究，目前主轴误差运动主轴误差运动的测试与数据处理方法有了很大的改进，引入频镨分析理论和FFT变换技术，通过用计算机来进行测量数据处理，使整个测量过程更方便、数据处理更科学、测量结果更正确。
二、 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。
三、 主轴径向误差运动的测试原理及方法
1．主轴回转误差运动
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。
瞬时误差的变化轨迹也就称为回转误差运动。
如图2-l所元，若o1o1，……，o i o i为主轴各瞬
图2-1主轴瞬时回转误差
时的回转中心线，oo为它们在空间的平均位置，
即理想回转中心线，那么，δ0，……，δi便是主轴的瞬时回转误差，误差的范围也可大致看成是主铀的回转精度。
可以想象，主轴瞬时回转中心线对其理想中心线的偏移有五种可能，即沿x，y，z三个坐标方向的移动和绕x和y铀的转动。
为了完全描述主轴回转中心线的误差，理论上要采
用五个传感器同时在三个坐标方向上测量才行。
但是，就这些误差的形式，基木上可分为三种：
〈1〉纯径向移动
指的是主轴各瞬时回转轴线平行于理想中心线并沿oz或oy方向移动，。
〈2〉纯角度摆动
指的是主轴回转轴线与理想轴线成倾斜
角运动，即绕oz轴，oy轴作角度摆动。
〈3〉纯轴向窜动
指的是主轴各瞬时回转轴线平行于理想
中心线并沿ox方向窜动。
以上三种误差形式往往同时并存。
当前两
者同时存在时，称为径向误差运动；当后两者
同时存在时，称为端面误差运动。
2．误差敏感方向
对于工件旋转，刀具固定的
机床(譬如车床)，加工工件时，
如果主轴径向误差运动在y方
向，则误差将以1：1的关系反
映到工件表面上，如图2-3a所
示。
该方向就是这种机床加工外
圆时的误差敏感方向，且敏感方
向不变。
主轴误差运动在z方向，
误差对工件表面影响甚微，如图
6-3b所示。
该方向为非敏感方向。
对于刀具旋转，工件固定的机
床(譬如镗床)，刀具在任何径向的误
差运动，都将1：1反映到工件表面
上。
因此，刀尖至理想回转轴心的
连线为敏感方向，且敏感方向随刀
尖回转而回转。
如果以主轴回转角作为自变
量，以误差运动在敏感方向的分量
作为因变量，则误差图形是杂乱无
章的，如图2-4a所示。
如果将这部分误差这加在一个理想的基圆上，就能够比较直观地显示出径向误差运动的圆图象，如图6-4b所示。
3．测量方法
〈1〉 双向测量法
双向测量法适用于测量刀具旋转机床(如镗床类)的主轴径向误差运动。
传统的测量装置如图2-5所示。
在主轴前端固定一个基准钢球1
2-2 主
图轴回转误差运动的基本形式图2-3 误差敏感方向
2-4 主
图轴回转径向误差中径向分量的图象
与主轴回转中心o略有偏心。
主轴回转时，基准钢球与两个传感器之间的径向间隙发生变化。
传感器拾取的信号经放大器3放大后分别输入双迹示被器4的x与y轴(示被器的水平偏转板与垂直偏转板)，
就可观察到一个近
似于回转刀具刀尖
的运动轨迹。
〈2〉 单向测量法
测量系统的组
成：单向测量法适
用于测量刀具固定
机床(如车床类)的
主轴径向误差运
动。
测量时，测量
仪器设备配置如图
2-6所示。
图中1
一端粘牢一个高精度的基准钢球3。
在中间两圆盘之间有一个小钢球作为支点，两圆盘用三
个螺钉联接。
调节三个螺钉便可借以调节基准钢球的几何中心轴线与主轴回转中心轴线的偏
心量。
传感器安装在误差敏感方向。
在机床主轴后部同轴联接一个同步分解器4，它的工作
原理类似于同步旋转变压器。
当该同步分解器转轴随主轴旋转时，它的输出端子上会输出二
个相位相差90度，频率与机床主轴旋转频率相同的正弦波信号，可用同步分解器来产生基
准圆。
测量仪器由高精度电容式位移测量仪5、WG回转精度测试仪6、双踪电子示波器7、
SC—16光线记录示波器8组成。
测量过程分析：当被测主轴回转时。
基准钢球与传感器之间的径向间隙发生变化，传感
器拾取基准钢球的位移量变化信号，经放大后，由双T选频网络消除基准钢球安装偏心所
引起的位移量变化信号。
这样，剩下的信号便是由主轴径向误差运动所引起的了。
然后将它
分别与同步分解器输送来的信号合成，处理后输入双踪示被器6的x轴与y轴(示被器的水
平偏转板与垂直偏转板)，在示波器荧光屏上就可观察到一个近似于回转刀具刀尖的运动轨
迹。
在引入微型计算机的试验系统中，当主轴回转时，传感器拾取基准钢球的位移量变化信
号，经放大后送入A/D转换器的信号通道。
微型计算机调用数据采集软件将模拟信号转换
成数字量，然后调用数据处理软件进行处理和分析。
四、实验内容及实验要求
实验员演示主轴回转误差测量的全过程，讲解主轴回转精度的定义、主轴回转误差测量
原理和测量仪器的操作方法。
同学观察实验过程，记录实验数据，并依此完成实验数据处理，将实验数据处理过程的
计算和结果写入实验报告。
五．实验数据处理方法
1）主轴回转误差时基数据记录的评定方法
;b
a
D =σ D 为定标当量（本实验 m D μ6=）
；b 为定标当量在记录纸上的宽度（格数） a 为主轴回转误差测量值在记录纸上的宽度；σ值为主轴回转误差评定值
2）主轴回转误差圆图象的评定方法
评定是在照片上进行的，评定圆图象的中心有多种。
本实验采用的是最小径向分离（MRS ）中心。
用同心圆模板在一定圈数（如10圈或明或20圈）的径向误差运动图象上，参考其内外功能，找出一个最小外接圆和最大内接圆，形成最小区域。
此两同心圆的半径差为主轴回转误差的评定值。
b
D
mrs R R 2)
(2
1φφσ
−=
式中的D 为定标当量；1R φ为最小外接圆半径；2R φ为最大内接圆半径；b 为定标环宽度。
六．实验报告格式
主轴回转误差时基数据记录的评定公式的计算过程 表1）主轴回转误差时基数据记录的评定 D ：
定标当量 B ：定标当量在记录纸上的宽度B ：定标当量在
记录纸上的宽度σ：主轴回转误
差评定值 备注
主轴回转误差圆图象的评定公式的计算过程 表2）主轴回转误差圆图象的评定 D ：
定标当量 1R φ：最小外接圆半径 2R φ：最大内接
圆半径 b ：
定标环宽度 )
(mrs σ
主轴回
转误差评定值
在实验收报告中完成下列简答题 1. 什么是主轴回转误差运动、 2. 什么是主轴回转精度?
3. 什么是误差敏感方向？为什么在误差敏感方向测量主轴回转误差才有意义？。
