基于LabVIEW的電主軸徑向回轉誤差測量技術

摘要：本文介紹一套利用數理統計法誤差分離技術開發的基于LabVIEW的電主軸徑向回轉精度的動態測試系統。本系統用軟件分度取代了測量所需的編碼器，將其運用到電主軸回轉精度測試中，可以降低測試設備的安裝要求，從而實現更為方便、有效、準確的現場測試。

關鍵詞：虛擬儀器 誤差分離 主軸回轉誤差 電主軸

在機床的加工過程中存在許多影響加工精度的因素，其中機床主軸的回轉誤差能夠直接影響加工零件的表面的質量、粗糙度以及形狀的誤差。所謂主軸的回轉誤差指的是：平均軸線和主軸的瞬時回轉軸線之間的相對位移。主軸回轉誤差主要分為3種基本的形式：純角度的擺動、純徑向的跳動以及純軸向的竄動。通常統稱前兩種為主軸的徑向回轉誤差，它主要會影響到加工的精度。目前有許多對主軸徑向回轉的誤差進行測量的方法，本文研究并設計出一種高精度的，基于虛擬儀器的主軸回轉精度的測試方法，并介紹了系統的實現。本文在該測試方法的基礎上，設計實現了基于LabVIEW的測試軟件。圖形化編程語言LabVIEW具有易于理解、直觀簡單等特點。利用該語言進行開發可以對開發過程進行簡化，并能縮短開發和調試的周期，該語言適合于那些沒有良好的編程能力的專業工程技術人員進行測量控制系統的高效開發。

1測量電主軸回轉誤差的技術

由于看不到實際的回轉軸心，因此在使用位移傳感器對主軸的回轉誤差進行測量時，不能采用直接測量的方式。傳統的方法主要是通過測量外圓的輪廓來間接反映出軸心的運動，但是，這樣做往往會混入一定的主軸的外圓輪廓形狀的誤差。電主軸一般具有較高回轉精度，不能忽視形狀誤差對其產生的影響，形狀誤差甚至會將微小的回轉誤差掩蓋掉。因此，可靠的測試方法是準確地將這些形狀誤差從采集到得數據中分離出去。我們可以利用垂直布置的兩個微位移的傳感器同時對電主軸外圓輪廓數據進行直接的采集，然后再利用數理統計中的誤差分離技術，將主軸回轉誤差分離出來。

等間距地在主軸外圓輪廓標定N個點。當主軸旋轉時，兩個互相垂直的傳感器對這N個物理標記點上的位移數據依次進行采集，對M轉數據進行連續的實時記錄。在主軸旋轉了M轉之后，每一個相應的傳感器都將記錄M×N個位移的數據值。對這M×N個位移數據進行處理，便能夠獲得主軸的形狀誤差數據，之后進行第二步的測量，即利用這兩個傳感器再次對M×N個位移數據進行采集，并從中將第一步中獲取到的形狀誤差的數據分離出來，便可得到主軸的徑向回轉誤差的數據。

2 電主軸的回轉誤差的評定

主軸的回轉誤差的評定是一種在通過測量得到主軸的回轉誤差的運動軌跡的前提下，對其運動誤差的大小進行定量求解的方法。回轉誤差大小一般采用回轉精度來表示。因為電主軸的回轉在數控機床的實際加工情況下是周期性的運動，可以正確地做出回轉誤差的圓圖像。因此我們將主軸的回轉精度用外圓輪廓圓圖像的圓度誤差值來進行定義。

圓圖像是由將電主軸的回轉誤差數據疊加到基圓上形成的，圓圖像的圓度誤差值便是主軸回轉精度，也就是兩個包容圓圖像的同心圓的半徑之差。我們使用最小二乘圓對圓度的誤差進行評定，其方法如下：

2.1 計算出最小二乘圓圓心坐標(a、b)：

(1)

其中(xi，yi)為實際輪廓上的各個等分點Pi的坐標；ri為Pi與坐標原點間的徑向距離；n為主軸外輪廓上的等分點的個數，n值越大，則測量的結果越精確。

2.2 計算出外圓的輪廓上各個物理點與最小二乘圓的圓心之間距離：

(2)

2.3 計算出圓度誤差值：

(3)

式中ε表示所求圓度誤差的值，這個值就是電主軸的回轉誤差。

3 系統測試

3.1 硬件的組成

系統測試所需硬件主要有：PC機一臺、兩個電渦流位移傳感器(CWY-DO-502 ) 及其支架等、數據采集卡NIPCI-6221及其接線端子BNC 2110、由光電傳感器及相關電路組成的脈沖發生器、作為每轉位移信號分段標記的反光紙標記條一片(用于觸發脈沖發生器產生脈沖)。

3.2 軟件的設計

按照采用數理統計法實現的誤差分離技術對主軸的徑向回轉誤差進行測量的需求，本文所設計的動態測試軟件主要包括以下三個功能模塊：數據采集模塊、數據處理模塊及結果顯示模塊。

3.2.1 數據采集

該模塊用于物理通道的選擇，通過對傳感器的靈敏度及采樣參數的設置，利用脈沖觸發采集卡同時對X向位移、Y向位移及脈沖三個通道信號進行采集，對三路的原始數據進行保存，且將保存路徑顯示出來。

3.2.2 數據處理

采用數理統計法進行誤差分離的技術對采集到的數據進行處理。該模塊以態機的模式，使用LabVIEW8.5進行編寫，首先對主軸的形狀誤差數據進行計算，然后對主軸的圓度誤差數據以及回轉誤差的值進行計算。

該模塊的關鍵之處在于，需分別從X、Y向的位移數據中找到每一轉所對應的所有外圓輪廓上的等間距的N個物理標記點上的相關數據。本文設計的方法為，將每轉的數據使用脈沖信號進行分段，并在每兩個脈沖劃分的數據段中將等間距的N個數據檢索出來。通過實驗可以證明：當使用較高的采樣頻率對數據進行采集時，該檢索程序可以精確地將M×N個數據檢索出來。

3.2.3 結果顯示

該模塊主要實現電主軸的形狀誤差的軌跡圖的顯示、將誤差圓圖像進行回轉、將誤差軌跡圖進行回轉以及將誤差值進行回轉。

4 實驗研究

在沈陽某機床廠采用本測試系統對電主軸CDH512進行了回轉誤差的測量。由于電主軸在高速運轉的時侯，可能引起不平衡地運動，因此需要在主軸的低速區進行空運轉來測量其回轉誤差。當取M=100、N=100、且主軸的轉速為100r/min時，所測得的X、Y向位移及脈沖這三個通道的信號圖、電主軸的形狀誤差軌跡圖、回轉誤差的圓圖像以及回轉誤差的軌跡圖。冷態，也就是電主軸的空載(100r/min)狀態和熱態，也就是歷時1.5h，在60％的最高轉速下加載到60％的最大功率的主軸狀態的條件下，測出主軸的回轉誤差。溫度的升高以及負載的增加所引起的電主軸的熱變形，會增大回轉誤差。

5 結束語

本文在數理統計法誤差分離技術的基礎上，利用LabVIEW開發了電主軸徑向回轉精度的動態測試系統。并通過進行大量的測試，證明利用本測試系統可以準確的將主軸回轉誤差分離出來。可靠、方便地對主軸的回轉誤差進行測量。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文