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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。
《机械制造技术基础》部分习题参考解答第四章机械加工质量及其控制4-1什么是主轴回转精度？为什么外圆磨床头夹中的顶尖不随工件一起回转，而车床主轴箱中的顶尖则是随工件一起回转的？解：主轴回转精度——主轴实际回转轴线与理想回转轴线的差值表示主轴回转精度，它分为主轴径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动。
车床主轴顶尖随工件回转是因为车床加工精度比磨床要求低，随工件回转可减小摩擦力；外圆磨床头夹中的顶尖不随工件一起回转是因为磨床加工精度要求高，顶尖不转可消除主轴回转产生的误差。
4-2 在镗床上镗孔时（刀具作旋转主运动，工件作进给运动），试分析加工表面产生椭圆形误差的原因。
答：在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随主轴的回转而回转，在F作用下，主轴总是以支承轴颈某一部位与轴承内表面接触，轴承内表面圆度误差将反映为主轴径向圆跳动，轴承内表面若为椭圆则镗削的工件表面就会产生椭圆误差。
4-3为什么卧式车床床身导轨在水平面内的直线度要求高于垂直面内的直线度要求？答：导轨在水平面方向是误差敏感方向，导轨垂直面是误差不敏感方向，故水平面内的直线度要求高于垂直面内的直线度要求。
4-4某车床导轨在水平面内的直线度误差为0.015/1000mm，在垂直面内的直线度误差为0.025/1000mm，欲在此车床上车削直径为φ60mm、长度为150mm的工件，试计算被加工工件由导轨几何误差引起的圆柱度误差。
解：根据p152关于机床导轨误差的分析，可知在机床导轨水平面是误差敏感方向，导轨垂直面是误差不敏感方向。
水平面内：0.0151500.002251000R y∆=∆=⨯=mm；垂直面内：227()0.025150/60 2.341021000zRR-∆⎛⎫∆==⨯=⨯⎪⎝⎭mm，非常小可忽略不计。
所以，该工件由导轨几何误差引起的圆柱度误差0.00225R∆=mm。
4-5 在车床上精车一批直径为φ60mm、长为1200mm的长轴外圆。
已知：工件材料为45钢；切削用量为：v c=120m/min，a p=0.4mm, f =0.2mm/r; 刀具材料为YT15。
《机械制造技术基础》部分习题参考解答第四章机械加工质量及其控制4-1什么是主轴回转精度？为什么外圆磨床头夹中的顶尖不随工件一起回转，而车床主轴箱中的顶尖则是随工件一起回转的？解：主轴回转精度——主轴实际回转轴线与理想回转轴线的差值表示主轴回转精度，它分为主轴径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动。
车床主轴顶尖随工件回转是因为车床加工精度比磨床要求低，随工件回转可减小摩擦力；外圆磨床头夹中的顶尖不随工件一起回转是因为磨床加工精度要求高，顶尖不转可消除主轴回转产生的误差。
4-2 在镗床上镗孔时（刀具作旋转主运动，工件作进给运动），试分析加工表面产生椭圆形误差的原因。
答：在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随主轴的回转而回转，在F作用下，主轴总是以支承轴颈某一部位与轴承内表面接触，轴承内表面圆度误差将反映为主轴径向圆跳动，轴承内表面若为椭圆则镗削的工件表面就会产生椭圆误差。
4-3为什么卧式车床床身导轨在水平面内的直线度要求高于垂直面内的直线度要求？答：导轨在水平面方向是误差敏感方向，导轨垂直面是误差不敏感方向，故水平面内的直线度要求高于垂直面内的直线度要求。
4-4某车床导轨在水平面内的直线度误差为0.015/1000mm，在垂直面内的直线度误差为0.025/1000mm，欲在此车床上车削直径为φ60mm、长度为150mm的工件，试计算被加工工件由导轨几何误差引起的圆柱度误差。
解：根据p152关于机床导轨误差的分析，可知在机床导轨水平面是误差敏感方向，导轨垂直面是误差不敏感方向。
水平面内：0.0151500.002251000R y∆=∆=⨯=mm；垂直面内：227()0.025150/60 2.341021000zRR-∆⎛⎫∆==⨯=⨯⎪⎝⎭mm，非常小可忽略不计。
所以，该工件由导轨几何误差引起的圆柱度误差0.00225R∆=mm。
4-5 在车床上精车一批直径为φ60mm 、长为1200mm 的长轴外圆。
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。
机械加工精度参考答案一、判断题（正确的在题后括号内划“√”，错误的划“×”。
）1．精密丝杠可采用冷校直方法克服其弯曲变形。
(×) 2．误差复映是由于工艺系统受力变形所引起的。
(√) 3．误差复映指的是机床的几何误差反映到被加工工件上的现象。
(×) 4．减小误差复映的有效方法是提高工艺系统的刚度。
(√) 5．加工原理误差是由于机床几何误差所引起的。
(×) 6．由于刀具磨损所引起的加工误差属于随机误差。
(×) 7．机械加工中允许有原理误差。
(√) 8．在加工一批工件时，若多次调整机床，其调整误差仍为随机性误差。
(√) 9．在加工一批工件时因机床磨损速度很慢，机床制造误差在一定时间内可视为常值，所以其调整误差为常值系统性误差。
(√)10．复映误差属于变值系统性误差。
(×) 11．定位误差属于常值系统性误差。
(×) 12．刀具和机床磨损造成的误差属于随机性误差。
(×) 13．工件受热变形造成的误差属于随机性误差。
(×)二、单项选择题（在每小题的四个备选答案中选出一个正确的答案，并将正确答案的标号填在题干的括号内。
）1．工件在车床三爪卡盘上一次装夹车削外圆及端面，加工后检验发现端面与外圆不垂直，其可能原因是（Ｃ）。
A．车床主轴径向跳动B．车床主轴回转轴线与纵导轨不平行C．车床横导轨与主轴回转轴线不垂直D．三爪卡盘装夹面与车削主轴回转轴线不同轴2．薄壁套筒零件安装在车床三爪卡盘上，以外圆定位车内孔，加工后发现孔有较大圆度误差，其主要原因是（A）。
A．工件夹紧变形B．工件热变形C．刀具受力变形D．刀具热变形3．车削细长轴时，由于工件刚度不足造成在工件轴向截面上的形状是（C ）。
A．矩形B．梯形C．鼓形D．鞍形4．下列影响加工误差的因素中，造成随机误差的因素是（ D ）。
A．原理误差B．机床几何误差C．机床热变形D．安装误差5．零件加工尺寸符合正态分布时，其均方根偏差越大，表明尺寸（A）。
机床主轴回转误差对加工精度的影响机床主轴回转误差对加工精度的影响内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.机床主轴是机床的主要部件之一，由于机床主轴用于安装刀具或者工件，因此它是刀具或者工件的相对位置基准和运动基准。
机床主轴的回转精度是机床的主要精度指标之一，直接影响到被加工零件的加工精度及表面粗糙度。
下面我们就来具体介绍一下机床主轴回转误差对于加工精度的影响。
1、主轴纯径向跳动产生的原因引起主轴纯径向跳动的原因是主轴轴颈和轴承之间的精度误差。
机床上使用的轴承分为滑动轴承和滚动轴承两类，轴承的类型不同，对纯径向跳动的影响也是不同的。
（1）采用滑动轴承对主轴纯径向跳动的影响采用滑动轴承作支承时，主轴以其轴颈在轴承孔内旋转。
对于车床类机床，在加工过程中，主轴的受力方向是一定的，主轴轴颈被切削力压向轴承孔表面的固定地方。
这时主轴轴颈的不同部位和轴承孔内的某一固定部位相接触，所以轴颈的圆度误差会使主轴回转产生纯径向跳动，而轴承孔的形状误差对主轴回转精度的影响很小。
（2）采用滚动轴承对主轴纯径向跳动的影响主轴采用滚动轴承作支承时，引起主轴纯径向跳动的因素除了轴承本身的精度外，还与轴承相配合件的精度有关。
2、主轴纯径向跳动对零件加工的影响（1）对镗削加工的影响在镗床上镗孔时，镗刀随镗床主轴一起作旋转运动。
当主轴作纯径向跳动时，将使轴心线沿某一固定方向作简谐运动。
镗出的孔形是由惯性坐标系中镗刀刀尖的运动轨迹所决定。
（2）对车削加工的影响在车床上加工外圆或镗孔时，工件随车床主轴一起作旋转运动。
因此工件被加工表面的几何形状是由刀具在动坐标系中的相对轨迹决定的。
通过对主轴纯径向跳动的分析可以看出，主轴回转误差对零件加工精度的影响很大。
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。
