机床主轴回转精度测试实验平台设计

韩德东

摘 要：本文首先利用双向测量法测量原理，通过A/D转换器、由计算机控制对主轴回转误差进行数据采集、预处理与转换。以快速傅里叶变换为基础对回转误差信号进行功率谱分析，并提出以快速傅里叶变换和逆变换的方法对一次偏心分量进行消除。该系统运用于ZHS-1型多功能转台主轴回转精度的实际测量，实现了主轴回转误差的在线测量和实时分析处理。

关键词：回转误差；一次谐波；最小二乘；最小区域；傅立叶变换

中图分类号：TH133 文献标志码：A

0 概述

近年来主轴回转误差的检测一直在广泛而深入地进行，并且取得了很大的成果。在外国，国际机械生产技术研究协会经过4年的工作，于1976年正式发表了“关于回转轴性能要求和误差测定的统一”文件；在国内，全国高校机械工程测试技术研究会、中国机械工程学会机械加工学会自1981年以来共召开了五次全国高精度回转轴系测试基本理论和应用学术讨论，所讨论的问题在深度、广度上都达到了相当高的水平。轴系回转精度测试方法包括模拟量测试法和数字量测试法两种。模拟量测试方法简便、直观，但有些测试方法精度不高。随着微机的普及，轴系回转精度的测试己由模拟量测试法向数字量测试法发展，此方法具有较高的数据处理精度，适用于对主轴回转精度的测试。虽然国内外已经对主轴回转误差检测的方法进行了研究，但专门用于检测该精度的试验装置还不够成熟，因此本文在前人研究的基础上，重点对机床主轴回转精度测试试验平台进行设计。

1 回转精度测量方法研究

1.1 回转精度数学描述

机床回转主轴的误差由轴向和径向两个方向组成。轴向误差由自由度引起，此误差容易消除。径向误差为4个自由度基础上的误差，但可对其进行简化。当主轴运动时，主轴横截面内任意一点的运动随时间的变化可以通过二维向量来表示。该点的回转运动可表示成复函数N（t），且可由圆周运动Nr（t）与径向误差运动Ne（t）叠加来表示，且Ne（t）与Nr（t）正交。

1.2 回转运动频率分析

在某一恒定转速下，转轴质量离心偏差形成的周期性轨迹其转速与频率相同。轴上一点的运动N（t）可具有周期性，定义主轴的角速度为ω，N（t）可展开成式（1）形式：

由式（1）可以推导出误差运动轨迹的公式。

2 回转精度测试实验平台设计

2.1 硬件设计

检测平台中的转台采用北京测振仪器厂ZHS-1型多功能转子实验台作为测试系统的回转主轴模型，其特点是结构紧凑、体积小、运转方便。采用滑动轴承设计，可以非接触地测量主轴的径向振动和轴向位移。采用直流电机驱动，转速0r/min～12000 r/min。

如图1所示，主轴上有径向传感器和轴向传感器。径向传感器有4个，分别位于前后轴承附近的主轴径向截面上，每个截面上两个传感器互成90°，这正符合测试系统的需要，因此可以将其直接应用到测试系统中，能够满足高速主轴回转精度测试的要求。

目前国际范围内适用于高速轴承的传感器主要有电涡流式传感器、电容式的传感器、光电式传感器。针对本测试系统的工作原理和结构特点，采用电涡流传感器进行主轴回转误差位移量的测试，它不仅灵敏度高、线性范围宽，而且工作稳定可靠。传感器的位置对整个测试系统有较大的影响，通常其位置应尽量接近执行器件。一般来说径向传感器安置在接近轴承的位置。本系统采用双向法进行误差测量，为了得到两个方向上的位移误差，分别在两端的径向截面上安装水平位移传感器和垂直位移传感器，两者互为90°。主轴回转精度测试实验平台的数据采集选择研華USB数据采集卡，该采集卡的采样速率为150kS/s，同时具有先入先出缓存，可大大提高采样频率。该采集卡的分辨率为12位，采用8254定时计数器，最高转换率达到了200kHz，因此具有较高的采集精度和采集速率，能够对高速主轴回转误差测试进行采样。

2.2 软件设计

对测试系统程序的编制，采用了Microsoft Visual Basic 6.0，它是基于Windows系统环境下的面向对象的可视集成开发系统，具有高效、简单易用及功能强大的特点，同时也有着良好的人机交互界面。虽然VB没有对输入输出端口进行访问的功能，但可以调用利用其他语言开发的动态链接库函数。通过调用动态链接库函数即可实现程序中的各个功能，同时可以简化程序代码，提高了软件的精确性与实用性。本系统即利用了USB采集仪厂商所提供的动态链接库（usbad.dll），它所封装的函数可以被VB在运行时直接调用，继而对采集仪进行访问和控制。回转误差测试系统的工作原理是：系统以高精度的回转轴中心线为测量基准，传感器与被测主轴截面呈90°分布安装，双向动态测量不同时间的主轴实际轮廓到回转中心半径的变化，通过计算机采集半径微小变化的数据，并用软件处理和分析数据，评定回转误差，最后输出测量结果。本文设计的实验平台界面如图2所示。

3 试验及误差分析

我们分别在主轴转速为2000r/min、4000 r/min和6000 r/min的情况下进行测试，每个转速下测得10组数据取其平均值，分别以最小二乘圆法和最小区域圆法进行误差评定。

测试步骤如下：（1）调整检测球与主轴轴心在同一直线上，再连接位移传感器时，转动主轴，调整涡流传感器距检测球3的距离，使其电压输出值在5V左右，以保证传感器及数据采集板在正常工作范围（不允许超过10V）。（2）调整达到要求后方可连接数据线到计算机接口，此时计算机应处于关机状态。（3）打开主轴回转开关，使主轴开始旋转。点击“显示”按钮，显示误差曲线和功率谱曲线。（4）用测速仪监测，调整主轴的回转速度，填入“当前转速”一栏内，点击“应用”按钮。（5）点击“评定”按钮，进入回转误差评定界面，观察误差圆图像。（6）点击主界面上的“消偏”按钮，对所测得的误差进行一次谐波滤波，消除偏心误差，观察此时的误差曲线。点击“停止”按钮，进入回转误差评定界面，观察此时的误差圆图像。在“误差评定方法”选项中分别选择“最小二乘圆法”和“最小区域圆法”“点击”评定按钮"进行评定，评定结果显示在右侧输出栏内。（7）试验完成从菜单栏中的“退出”或右上角关闭按钮退出界面。

实验结果如下：（1）转速2000rpm时，LSC为49.28568，MZC为48.75908；（2）转速4000rpm时，LSC为54.39139，MZC为53.87151；（3）转速6000rpm时，LSC为69.69157，MZC为69.17551。

结论

本文对高速主轴回转误差测试的方法进行了研究，采用双向测量法进行误差测试，同时分析了高速主轴回转误差中的频率成分，对回转误差测量中的一次谐波进行了研究，从高速轴承系统的控制角度出发，提出了采用快速傅立叶变换和逆变换的方式对一次谐波进行处理；采用最小区域圆法和最小二乘圆法进行误差评定。建立起测试系统的硬件结构，编制了测试软件。

参考文献

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