某型数控机床主轴系统回转误差动态测试研究.pdf

2 0 1 5年 6 月 第 4 3 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 5 Ve 1 ． 4 3 No ．1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 0 2 某型数控机床主轴系统回转误差动态测试研究 籍永建 ，王红军 1 ．北京信息科技 大学现代测控技术教育部重点 实验室，北京 1 0 0 1 9 2 ； 2 ．北京信 息科技大学机 电工程学院，北京 1 0 0 1 9 2 摘要高速主轴的回转误差运动直接影响到被加工零件的加工精度与产品的使用寿命。为了对数控机床的加工性能进 行合理评价，分析了同步径向误差运动与工件圆度以及异步误差运动与工件表面粗糙度之间的关系，并采用美 国L i o n P r e - c i s i o n公司开发的主轴误差分析仪对某型数控机床的主轴系统进行 回转误差及漂移的测量 ，根据测量结果对所测主轴加工 性能进行评价，为实际生产加工提供了参考。 关键词高速主轴；回转误差运动；L i o n P r e c i s i o n 中图分类号T H1 6 1 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 1 - 0 0 5 - 4 Dy na mi c Te s t i ng Re s e a r c h o f Ro t a r y Er r o r s f o r a Ce r tai n Ty p e o f NC M a c h i n e To o l S pi nd l e S y s t e m J I Y o n g j i a n 一．WA N G H o n g j u n ’ 1 ． K e y L a b o r a t o r y o f Mo d e m Me a s u r e me n t C o n t r o l T e c h n o l o g y ， B e i j i n g I n f o r ma t i o n ST U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ， C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a n d E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g I n f o r m a t i o n S＆T U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ，C h i n a Abs t r a c tTh e r o t a r y e r r o r mo t i o n o f hi g h s p e e d s p i n d l e a ffe c t s di r e c t l y t he pr o c es s e d wo r k p i e c e ma c h i n i ng p r e c i s i o n a nd pr o du c t s e r v i c e l i f e ． I n o r d e r t o r e a s o n a b l y e s t i ma t e ma c h i n i n g p e r f o r ma n c e o f t h e NC ma c h i n e t o o l ，t h e r e l a t i o n s h i p n o t o n l y b e t w e e n s y n c h r o n o u s r a d i a l e r r o r mo t i o n a n d p a r t r o u n d n e s s ，b u t a l s o a s y n c h r o n o u s e r r o r mo t i o n a n d s u rf a c e r o u g h n e s s w e r e an aly z e d ． Th e r o t a r y e r r o r a n d s hi f t f o r a c e r t a i n t y p e o f s pi nd l e o f NC ma c h i ne t oo l we r e me a s u r e d b y us i ng t h e “ Sp i nd l e Erro r An a l y z e r ”d e v e l o pe d b y Li o n Pr e c i s i o n C o m p a n y o f t h e U S A． T h e s p i n d l e m a c h i n i n g p e rf o r ma n c e i s e s t i m a t e d a c c o r d i n g t o t h e m e a s u r i n g r e s u l t ， w h i c h p r o v i d e s r e f e r - e n c e f o r pr a c t i c a l ma c h i n i ng i n pr o d u c t i o n． Ke y wo r d s Hi g h s p e e d s p i n d l e；Ro t a t i o n e r r o r mo t i o n；L i o n P r e c i s i o n O前 言 随着工业技术的发展，机床的加工精度越来越受 到业内人士和专家的关注。高速主轴的回转误差直接 影响到产品的加工精度与使用寿命 ，通过回转误差 测试 可 以评价 机床在 理想加 工条 件下 所 能达 到 的最 小形状误 差 以及 表 面粗糙 度 ⋯ ，分析 判 断产 生加 工 误差的原因以及机床 的运行状态。因此如何快速、 准确 、有效地测量主轴的回转误差成为人们关注的 热 点问题 。 在 回转误差测试分析方面 ，国内外学者 已经做 了 大量研究，上海交通大学的洪迈生 采用差动式电容 式传感器对主轴进行回转误差测试。彭万欢等 对精 密 主轴 回转误差测试过程 中偏 心的影响和作 用原理进 行 了深入分析 ，提出一种有效 的偏心消除方法。美 国 Wa y n e S t a t e 大学 K K I M提出基于微处理器的主轴 回 转误 差 的 数 字 测 试 方 法 。E r i c MA R S H 和 J e r e m i a h C O U E Y 对反 向法 、多 点法 和 多步 法这 3种误 差 分 离技术进行实验对 比，结果表 明 3 种 误差分 离技术 均 能达到 比较高的测量精度 。 为 了解数控机床主轴在不 同转速下的 回转误差 以 及确定数控机床 的最优加工转速 ，对数控机床 的加工 性能进行合理评价，采用主轴误差分析仪对某型数控 机床进行回转误差测试研究。 1 回转误差运动测试原理、方法 主轴回转误差指的是主轴的瞬间回转轴线相对于 平均轴线的位移- o 。可以分解为纯轴向窜动、纯径向 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 5 - 0 4 基金项目北京市 自然科学基金资助项目 K Z 2 0 1 2 1 1 2 3 2 0 3 9 ；国家 自然科学基金资助项 目 5 1 2 7 5 0 5 2 ；北京市高等学校 人才强教 P H R 2 0 1 1 0 6 1 3 2 ；北京市教师队伍建设一 教师教学促进项 目 P X M2 0 1 4 _ 0 1 4 2 2 4 _ 0 0 0 0 8 0 作者简介籍永建 1 9 8 6 一 ．，男，硕士研究生 ，主要研究 方 向为机械制 造、机 电系统故 障诊 断及 预测。Em a i l 1 03 96 9 49 5 3 q q． c o n。 6 机床与液压 第 4 3卷 跳动和纯角度摆动 3 种基本形式，其中后两者总称为 主轴径向回转误差 ，是造成加工误差的主要因素 。 运动误差的来源主要有两方面 1 轴承运动误差； 2 由机器 内部 或外 部激励 以及 结构循 环 中 由于弹 性 、质量、阻尼等影响所产生的结构运动误差。目前 测试 回转误差 的方法主要有 3 种 静态测试法 、动态 测试法以及在线误差补偿检测法 。静态测试法主要 是利用精密芯棒和千分表进行测量 表测法 ，但 是这种方法无法反映 主轴在工作转 速下 的 回转误 差 ， 并且无法区分性质不同的误差，已经逐渐被其他测试 方法所取代。动态测试法中常用的方法有双向测量法 和单向测量法 。通过一个标准球 和适量传感器就 能够测得主轴的回转精度 ，显示主轴运动的轴心轨迹 图，为主轴的性能评估提供可靠依据。在线误差补偿 检测法在机床主轴处于切削状态下 ，将监测的结果直 接用于控制切 削补偿 量 。这种 方法操 作起 来较 为 复杂 ，现场检测时很少采用。 2 主轴误差运动分类 美 国标准 A N S If A S ME B 8 9 ． 3 ． 4 - 2 0 1 0定义 的按 频率分类的主轴误差运动包括全误差运动 、同步误差 运动、基本误差运动、残余同步误差运动以及异步误 差运动等。全误差运动记录的是完整主轴回转误差测 量值 ；同步误差运动是全误差运动 的组成部分 ，发生 在整数倍于转速频率 基频 的频率下；基本误差 运动是同步误差运动的正弦部分，发生在转速频率 基频下；残余同步误差运动也是同步误差运动的 组成部分 ，发生在频率成整数倍于转速频率 不包 含基频 的情 况下 ；异 步误 差运 动发 生在 非 整数倍 于转速频率 基频 的频率下 ，有以下特点 1 非周期性； 2 周期性但是发生在非转速频率以及 它 的整 数倍频率 下 ； 3 在 转速频率 的分谐波频 率 下呈现周期性 。 2 ． 1 同步径向误差运动与工件 圆度的关系 以图 1 a 所 示 简 图 为 例 ，测 试 装 置 包 括 一 个 主测 试球 假设 没 有形 状 误 差 和 一 个 位 移 传 感器。图 1 b 为旋转轴在 Y平 面相对于位移 传感器的假设路径 的放 大视 图，这条假设路径 由 一 个各 点标 注旋 转 角度 的 “ 8 ” 字 形 图案组 成 。 图 1 c 为 由 “ 8 ”字形路径经 过变换后得 到 的径 向误差运动直线图 ，规定标准球靠近位移传感器 的运动方向为正方向。图 1 d 为 以极坐标 图的 形式显 示 的径 向误 差运 动 ，可 以看 出 ， “ 8 ” 字 形 路径 变 换 成 一 个 倾 斜 的 椭 圆 径 向误 差 运 动 极 坐 标 图。 _ 径 向误差运 动测试 原理 ／ ＼／ ＼ V＼／ 0 9 0 1 8 0 2 7 0 3 6 0 回转角度e ／ fI， 90。 2 7 0 。 旋转轴在列 面假 设路径的放大图 c 径 向误差 运动 直线 圈 d 径 向误差运 动极 坐标 圈 图 1 径向误差运动测量和绘图 如果把图 1 a 中的位移传感器换成一个理想 的刀具，很明显 “ 8 ”字形路径会导致加工的零件失 圆。由于零件半径只受到轴在敏感方向运动的影响， 所以主轴的正向运动会使加工零件的半径变小 ，反向 运动会使加工零件的半径变大。如果零件被一个零误 差的圆度测量机取代，那么得到的圆图将会是一个形 状与 图 1 d 形状 完全相 同 ，左右 相反 的图形 ，如 图 2所示 。 ． ． ． a 径向误差运动极坐标图 b 零件圆度轮廓图 图 2 径 向误差运动极坐标图与零件圆度 轮廓 图 两幅图的失圆度完全相同 ，所 以机床主轴径 向误 差运动极坐标图在理想切 削条件下能够预测加工零件 的圆度，但是不理想的切削 切屑瘤、刀具磨损、 刀具挠度变化 、走刀 、卡盘 变形 、热变形 和残余 应 力等会使预测的准确性大大降低。 2 ． 2 异步误差运动与表面粗糙度的关 系 在理想的切削条件下 异步误 差运 动极 坐标 图能够 预测被加工零件的表面粗糙度。通常表面粗糙度的测 量要横穿工件表面纹理的主要方向，也就是说这种测 量相应于测量全误差运动极坐标图上特定角度处的差 值。如果没有异步误差运动，被加工零件表面唯一出 现的不规则图形就是与刀具半径有关的扇贝形纹理 ， 如图 3 a 所示。峰谷值 日，刀具半径 R与每转进 给量 F之 问的关系如式 1 所示 。 第 1 I j 9 】 籍水建 等 粜 数拎机J术 卜 轴系统 转误苊动态测试研究 F ’ 『 } 1 1 【 1 f 减小进给量 F ，那么 值 就会 l卡 } 1 心地变小 址 异步误 差运 动 ，被加j 二 零件 表 材料 的 上除 会发 牛 变化 ，如 3 I 】 所 。 女 表i『 l 『 卡 Ⅱ 糙度俄止宽度值是每转进给 的几倍大』 J I5 么 一个给定 的 步运 动将会 转换 为卡 H 等 的 峰 谷不平 度 ， 步误篪运 动总 干 n 与 H代 表 _ r机床 在 理想 切削 条件 下可能的峰芥 平度 ，工件 表而粗糙度值 大约为 异步 跌篪f f 【 的 1 ／ 4 川石刀具加工 某些有色 金属时 I J I 以f } j j 种 方法 颅洲 I 件表面粗 糙度 ，但是大 多数切 削 条仆下 I 的切 『 『 Ij 瘤会加大J 件的表而粗糙 度 ． ． a 理 想切 削条 件下 无异 步误 差 运动 工件 表 面 b 1 理 想切 削 条件 并 步误 差运 动对 工件 表 面租 糙艘 的影响 3 步 跌置运动 与表 面粗糙度 的关 系 多数测试 ⋯转跌篪的方法都 是处于理论和实验验 证阶段 ，【 _1 fj j『 1人 】 儿 没有专、 l 开发生产主轴 转误 测 试系统 的公 天 同 1 J o n P r e c i s i o n公 司肝 发 的 主轴 洪箍分析仪能测 试主轴 的 同步 误差 、异 步 洪差 、 漂移等 ． 测城精度尚 一 日 ． 数据准 确。 3 测试 系统简介 I ,i o n l r e t - m公 d开发的主轴 差分析仪 一个 精密柄 ； 准球 ，5个 分辨牢 的电容式 传感 器 ，⋯ 个传 感器安装 支架 ，一个数据采集卡和一 个 々利软件 以及 他附什纰成 测{ j { 系统的执行标准 表 1 。 表 I 测量 系统执行标准 测试执行标准 A N S I ／ A S ME标准 B 5 ． 5 4 2 0 0 5 ， “ C N J J n c 1 1 ． 性 能评竹 办法” ANS l ／ASME B5 ． 57 1 99 8． “ 数控 乍削 r } I 心性能评估 方法” ANS 1 ／ASME B8 9． 3． 4 201 0， “ 旋转轴 ，具体说 明和测试 法 ’ I S 2 3 0 3 ，“ 热效应测 定” I S O 2 3 0 7 ，“ 旋转轴的几何精度” 4 测试 试 验 以及结 果分析 试验测 试装 ⋯ 一个标 准球 、3个位 移传 感 器 、 7 测试软件以及其他辅助 箭绀成 将传感器沿标准球 、 方 向布置 ，设定 饵 l 0转 为一 个样本空 间 ，每 转均匀取 1 0 0个点 的测址仇 ．． 安装调试测 试系统 ，然 后进行测试 ，测试过程 I { J f 移传感器将 采集的电 信 号经数据线传递至计算机 ，然 经过测试软件的处理 得到 回转误差运动极坐标 以及 他卡 H 关参数 。 4 ． 1 径向旋转敏感度测量 径 向旋转 敏感 度 所 4 J L 床 测 的足 主轴 的 运动误差 ，用来确定机器的性能和健康运转情况 向旋转敏感测试要从Ⅲ一平 } 6 l大 J 睡直分开的 2个探 头 采集位移数据 ，测量旋转 l f 1 的。 三 轴在 方 向 方 向的 位移 ，从得到的测 数 【 I I 剁离 f { J 按照频率定义的主 轴 固有运动误差 径 向旋 转 敏感测 试分析适 H _J 于铣 、 钻 、镗等工 艺 该 次试验 测试现场仪 器安装 女 l 】 4所 示 ，测试 数据如表 2 所 ， J 、、 4 土轴 ⋯转 篪运动f I lj 试试验 表 2 主轴在 不同转速下运动误差值 由表 2可 以看 ，主轴转速在 3 9 0 0 r ／ t n i n I J 、 f 8 机床与液压 第 4 3卷 同步误差为 4 ． 5 7 0 4 9 4 远高于其他转速下 的主轴 同步误 差 ，可 初步判断 主轴在 3 9 0 0 r ／ m i n左右 时发 生劣化 如图 5所示 ，这种劣化可 能与主轴 轴承或 轴驱动系统有关 ，这种情况对工件圆度影 响很大 。如 果对工件圆度要求较 高，应避免在此转速 下对工 件进 行加工 ，综合加1 效率 以及其他方面因素 ，对工件 圆 度要求较高时应该选择转速 3 0 0 0 r ／ ra i n 。5 1 0 0 r ／ ra i n 时主轴的异步误差值达到 2 ． 3 7 6 7 8 5 m，分析可知在 此转速下机床发生劣化 ，有可能是轴承磨损或者机床 发生振 动 ，如果对 件表面粗糙度要求较 高 ，应避免 在此转 速下对工件进行加工 ，综合考虑可选择转速为 4 5 0 0 r ／mi n ． ／ 。 l 0 Re v 图 5 主轴转速 3 9 0 0 r ／ n fi n时运动误差极坐标 图 4 ． 2主轴 漂移测 量 测试 的是 当主轴 速 度在一 个 短时 间 内逐 步增 加 时 ，测试主轴在 x 、Y 、 z 轴中的位置 漂移 位 移 情 况 ，以及 和 Y轴 的倾斜情 况 。当主 轴速度 增加 时 ， 主轴部件 内的机械负荷发生 变化 ，即离心力 、预负荷 发生变化 ，从而影响主轴 的相对位置 。此测试还可揭 示 主轴轴承预负荷的实际状 态。该试验设置最大转速 为 6 0 0 0 r ／ m i n ，最小转速为 0 ，测试 主轴转速在 1 0 0 ～ 5 2 0 0 r ／ m i n ，步 长为 3 0 0 即转速 每 增 加 3 0 0 r ／ m i n 记录一次 数据 的主轴 漂移 量。当转 速达 到最 大 时 按原步长降低转速，记录所测数据。漂移图如图 6 所示。 图 6 主轴漂移图 由图 6可以看出 ，主轴在 轴位置漂移量为 O ． 3 8 m，在 Y 轴位置漂移量为 0 ． 8 l m，在 z 轴 中的位置 漂移量 为 2 ． 1 3 I．u n ，在加 工工件 时 ，要 考虑主轴漂移 量的影 响。 5结论 介绍 了 L i o n P r e c i s i o n公 司生 产 的主 轴误 差 分析 仪，并利用该测试系统对主轴回转误差运动、不同转 速下漂 移量进行测试 ，测试结果表明主轴系统转速在 3 9 0 0 r ／ m i n和 5 1 0 0 r ／ m i n 左 右时发 生劣化 。试 验表 明该测试 系统能够精确地测试主轴的回转精度 ，对确 定机床性能和健康运转状况有很大帮助 ，在实 际生产 加工 中对 于如何加 出高质量产品具有 指导意义。该 测试 系统测试 的数据准确度高 ，为进 一步分析机床故 障类 型及故 障原 因提供 l『 可靠的依据。但是该 测试 系 统 的安装调试 阶段在整个测试阶段所 占用的时问比较 长 ，需要进一步改进 。 参考文献 [ 1 ]池宪 ， 樊宁， 高子辉， 等． 机床主轴纯径向跳动的轴心轨 迹分析[ J ] ． 机械工程与 自动化， 2 0 0 6 2 7 1 0 ． [ 2 ]洪迈生． 试论主轴 回转误差的直接测量法[ J ] ． 计量技 术 ， l 9 9 7 3 5 - 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