1、實(shí)驗(yàn)一機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)測試隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，很多行業(yè)對回轉(zhuǎn)軸差動(dòng)誤差的測量都極為重視，例如， 有許多行業(yè)的設(shè)備都需要高精度的機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng) 則可以了解機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)狀態(tài)及產(chǎn)生誤差的原因，對機(jī)床的加工而言，它可以用來預(yù) 測機(jī)床的理想加工條件下所能達(dá)到的最小形狀誤差，并判斷產(chǎn)生加工誤差的原因。本實(shí)驗(yàn)對如何正確測量機(jī)床主軸的誤差運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一些探討。一、有關(guān)的基礎(chǔ)知識1軸誤差運(yùn)動(dòng)理想回轉(zhuǎn)軸線回轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)

2、時(shí)，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(dòng)，我們就稱這條固定直線為理想軸線。但實(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)。在實(shí)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(shí)，可以把理想軸線和軸殼“固接”，這 時(shí)的誤差運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線對軸承殼體的相對運(yùn)動(dòng)，反映出軸承的回轉(zhuǎn)質(zhì)量， 如果研究的是加工設(shè)備(如機(jī)床)，對刀具回轉(zhuǎn)類機(jī)床，理想軸

3、線可以與工件“固接”； 對于工件回轉(zhuǎn)加工類機(jī)床，理想軸線則可與刀具“固接”；這時(shí)主軸的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)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(yīng)注意，回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的合成誤差，它是由幾個(gè)方向的誤差所組成，下面來具體分析(見圖1-1):總的來講，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線對理想軸線 AB在每一個(gè)瞬間的相對運(yùn)動(dòng)可以分解為三類 五個(gè)運(yùn)動(dòng)：純軸向運(yùn)動(dòng)z(t)，純徑向運(yùn)動(dòng)x(t)和y(t)，傾角運(yùn)動(dòng)a (t)和B。從分解的五種運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)可看出，徑向誤差運(yùn)動(dòng)r(t)是由純徑向運(yùn)動(dòng)x(t)、y(t)和傾 角運(yùn)動(dòng)a (t)、B合成的結(jié)果。由于傾角運(yùn)動(dòng)a (t)、B (t)的存在，在不同的位置上所檢測出

4、的誤差運(yùn)動(dòng)(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(yùn)動(dòng)r(t)和端面誤差運(yùn)動(dòng)f(t)時(shí)，應(yīng)指明測量點(diǎn)的軸向位置和徑向的半徑位置(見圖 1-2)。(a)誤差運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)(b)軸向誤差運(yùn)動(dòng)(c)純徑向誤差運(yùn)動(dòng)和傾角誤差運(yùn)動(dòng)(e)端面誤差運(yùn)動(dòng)(d)徑向誤差運(yùn)動(dòng)的分解圖1-1誤差運(yùn)動(dòng)分解示意圖圖1-2不同測點(diǎn)的誤差運(yùn)動(dòng)分析2誤差敏感方向由于直接測量主軸的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)比較困難，而且我們研究切削機(jī)床和測量主軸回 轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)的目的是考察誤差運(yùn)動(dòng)對加工誤差或測量誤差的影響。而不是誤差運(yùn)動(dòng)的本 身。因此只需要測量出誤差運(yùn)動(dòng)中對加工精度影響最大的那個(gè)方向的分量。這樣就存在 一個(gè)誤差敏感方向的概念

5、。誤差的敏感方向一一指與一個(gè)通過瞬時(shí)加工點(diǎn)（或測量點(diǎn)），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(gè)方向的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)對加工誤差（或測量誤差） 影響很大。誤差運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的影響比敏感方向小。其影響程度視該誤差運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)對加工誤差影響極小。例如：車削加工時(shí)（圖1-3）。工件半徑為Rw。當(dāng)?shù)毒咴赬方向移動(dòng)Sn時(shí)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?yàn)槊舾蟹较颉６谂cX垂直的y方向若移動(dòng)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(gè)數(shù)量級時(shí)，完全可以忽略非敏感方向上的誤差運(yùn) 動(dòng)Sn對加工誤差的影響。根據(jù)敏感方向的特點(diǎn)，可以將機(jī)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(jī)床，其主軸回轉(zhuǎn)時(shí)各方向的誤差運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)相當(dāng) 于確定主軸軸線在空間的位置。這類機(jī)床屬于回轉(zhuǎn)敏感方向類。但是，根據(jù)一個(gè)矢量可 以分解為兩個(gè)相互垂直的分量的原理。我們可以認(rèn)為這類主軸在回轉(zhuǎn)時(shí)具有相互垂直的 兩個(gè)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(yùn)動(dòng)（b）非敏感方向的誤差運(yùn)動(dòng)圖1-3誤差運(yùn)動(dòng)和敏感方向3圓圖像在示波器的水平、垂直兩個(gè)輸入端分別加以正弦波電壓時(shí)，在熒光屏上顯示出的圖 形為李沙育圖形。設(shè)加上兩個(gè)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(shí)值。mVUy、Ux兩輸入端的電壓峰值。mV3角頻率。rad/s書初相角。radt時(shí)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(dāng) 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(gè)橢圓（X、y向幅值不同）均為斜橢圓卩 y=Usin 31卩 x=UC0S3 t時(shí)。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(yùn)動(dòng)的圓圖象可以看成是由一個(gè)正圓圖像準(zhǔn)圓）上疊加上回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)圓圖像二、測量方法（一）回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果的表達(dá)方式* x（日）（b）圓圖像（a）直角坐標(biāo)形式圖1-6誤差運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果的表達(dá)形式回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)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(biāo)或極坐標(biāo)的形式加以記錄。 極坐標(biāo)用得最多的圓圖像（見圖1-6）直角坐標(biāo)形式一一以主軸轉(zhuǎn)角為自變量，誤差運(yùn)動(dòng)為因變量所表達(dá)的圖形。圓圖像一一以轉(zhuǎn)角為自變量。某種誤差運(yùn)動(dòng)為因變量的極坐標(biāo)圖形，與普通極坐標(biāo) 圖形的不同之處：普通的幅值由原點(diǎn)計(jì)起圓圖像 幅值由基準(zhǔn)圓的圓周計(jì)起。（二）測量方法主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)的測量方法很多。總的來講有打表法、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(yàn)心棒的徑向跳動(dòng)量，方法是將千分表表頭壓在檢驗(yàn) 心軸表面上，低速轉(zhuǎn)動(dòng)（或用手轉(zhuǎn)動(dòng)）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(yùn)動(dòng)。由此法測得的結(jié)果不能反映主軸工作狀態(tài)的誤差運(yùn)動(dòng)。并含有很多非誤差運(yùn)動(dòng)成份。 它只能觀察到兩個(gè)極限值，不能加以記錄。因此無法進(jìn)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(biāo)和圓圖像顯示）直角坐標(biāo)顯示，此方法適合用于被加工工件回轉(zhuǎn)類的機(jī)床。即固定敏感方向的誤 差運(yùn)動(dòng)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(gè)精度很高的試件（其形狀誤差與被測機(jī)床的誤差運(yùn)動(dòng)相比完全可以 忽略不計(jì)）。則傳感器輸出為該工作狀態(tài)下對應(yīng)測點(diǎn)位置的徑向誤差運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yīng)在和值中 消除由偏心所產(chǎn)生的正弦分量。克服偏心影響的方法很多，有電氣的，也有機(jī)械的。下 面介紹一種機(jī)械方法消偏的裝置及系統(tǒng)（是一種實(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)互相抵消來達(dá)到消偏的目的。（見 圖 1-10）主軸箱標(biāo)準(zhǔn)試件傳感器傳感器測振儀示波器圖1-7單向法直角坐標(biāo)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(biāo)顯示的圖形分析圖1-9帶機(jī)械消偏的單向法直角坐標(biāo)顯示測試系統(tǒng)簡圖調(diào)整方法：高精度圓盤安裝時(shí)，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(yīng)為偏心信號與誤差運(yùn)動(dòng)之和；而e1較大，誤差運(yùn)動(dòng)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(gè)信號輸入加法器相加，消除了偏心 的影響，得到誤差運(yùn)動(dòng)在 敏感方向上的分量值。粗檢度圖1-11消偏的誤差運(yùn)動(dòng)圖像及其處理方法利用機(jī)床尾部的同步控制信號對示波器的掃 描周期進(jìn)行控制，使熒屏上所顯示的正好是主軸一 周的誤差運(yùn)動(dòng)信號，而且每周的顯示起點(diǎn)均為在主 軸的相同方位上記錄下重復(fù)掃描的誤差信號（用照 像法），如圖1-11所示。以重復(fù)顯示綜合曲線的最 高點(diǎn)和最低點(diǎn)的位置對應(yīng)的尺寸作為加工時(shí)的 形狀誤差（在理想加工條件下達(dá)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(dá)到的最小誤差）。這種方法的最后結(jié)果以直

14、角坐標(biāo)顯示。也能預(yù)示加工可能達(dá)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(yùn)動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)值，用最小 二乘方圓處理得出）P+V。P從基圓圓周起，圓外點(diǎn)最大距離；V從基圓圓周起，圓內(nèi)點(diǎn)最大距離；P+V描述了隨即點(diǎn)不在同一圓周的離散程度。所給出 P+V的值還是一個(gè)相對值。要 想得到誤差的絕對值，必須進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)信號頻率（標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前量程