空氣靜壓球面軸承主軸回轉精度測試研究

夏歡，陶繼忠

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

自20世紀60年代以來，隨著原子能、航天、微電子、信息及生物工程等新興科學技術的發展，加工精度越來越高，從毫米到微米、亞微米，現在已經發展到納米水平，并向著原子晶格尺寸(亞納米)水平邁進[1]。加工精度的高指標，使得對加工機器和測量儀器的精度要求越來越高，進而推動了高精度加工設備的發展。氣體靜壓軸承作為高精密加工、測量設備主軸系統的重要組成部分，得到了深入研究和廣泛應用。

機床主軸是工件或刀具的位置基準和運動基準,其誤差直接影響著機床的整機性能和被加工工件的加工精度。試驗結果表明[2]：精密車削的圓度誤差約有30%～70%是由主軸回轉誤差引起的，而且精密車削所用的機床精度越高，工件圓度誤差中由主軸回轉誤差所引起的比例越大。主軸的實際回轉中心線對其理想回轉軸線的偏離,廣義地稱為主軸的回轉誤差[3]。在理想情況下,主軸回轉軸線的空間位置,相對于某一參考系統(如刀架)而言,是不應隨時間變化的。而在實際工作中,由于主軸部件制造精度和剛度的影響,主軸回轉軸線的空間位置總是在變動的,即總是存在著回轉誤差[4]。因此，對機床特別是精密機床的主軸回轉精度的研究具有重要意義。下文首先介紹了空氣靜壓球面軸承的結構和提高性能的改進方案，然后分別對徑向回轉誤差、軸向竄動誤差和角度擺動誤差進行了測量。

1 氣體靜壓球面軸承主軸結構

氣體靜壓球面軸承主軸系統結構如圖1所示，主要由殼體、節流器、球面半球、轉子、調整墊片和動平衡校正盤組成。為了保證密封，球面節流器與殼體之間采用圓錐面配合，再用壓緊端蓋將節流器壓緊在殼體上；安裝前預裝配轉動部件，即在轉子上安裝雙半球和調整墊片，采用螺母鎖緊，測量兩球心間距離，選擇適當厚度的調整墊片；拆卸轉動部件更換合適的調整墊片后再與殼體安裝到一起，最后在半球上安裝動平衡校正盤，用以解決構件的不平衡問題。主軸與試驗臺連接時，以殼體的臺階面作為固定約束面，實現主軸系統和試驗臺的剛性連接。

1—動平衡校正盤；2—半球；3—壓緊端蓋；4—球面節流器；5—調整墊片；6—進氣孔；7—殼體；8—主軸圖1 空氣靜壓球面軸承主軸系統結構示意圖

空氣靜壓球面軸承主軸系統的工作原理為：壓縮氣體通過進氣孔進入環形氣腔，再通過球面節流器上均布的環形小孔進入潤滑間隙，形成氣膜壓力，以支承轉子和其他負載。

為進一步提高球面軸承的性能，主要從以下3個方面改進空氣靜壓主軸的結構。

(1)在球面節流器上先加工直徑3 mm的小孔，再在小孔中低于節流器表面30～40 μm處粘接節流塞，節流塞上加工有直徑0.1 mm的小孔。這樣既減小了加工難度又可以在氣體進入軸承間隙之前，先充滿直徑3 mm的氣腔，再流向工作間隙，起到二次節流的作用。為保證節流孔與氣膜間隙之間的匹配關系，一般采用直徑0.1～0.2 mm的小孔，氣膜間隙與小孔直徑相匹配取8～20 μm，根據不同結構尺寸，氣膜間隙有所不同。

(2)為消除零件在加工和裝配過程中產生的累計誤差，在其中一個半球底部設有調整墊片，這樣就可以在所有零件加工好后，裝配殼體和節流器，實測兩球面節流器球心間距離，再裝配主軸、調整墊片和半球，實測兩半球的球心間距離，確定調整墊片的厚度尺寸，以保證氣膜間隙的均勻性。

(3)為避免材料本身的不均勻性導致加工零件的重心不在其幾何中心上，從而影響主軸的回轉精度，在主軸的上下分別加上動平衡校正盤，盤上開有燕尾槽，通過在燕尾槽添加校正質量塊，消除轉子的動不平衡量。

2 主軸回轉精度的測量方法及原理

2.1 主軸的徑向回轉誤差

為了更準確地測量空氣主軸的徑向回轉誤差，盡量減小被測截面圓度誤差對測量結果的影響，采用標準球作為被測對象。將標準球及偏心調整工裝固定在空氣主軸上，調整偏心誤差在1 μm以內，測量空氣主軸的回轉精度。

徑向回轉誤差測量方法如圖2所示，使球心與轉子的回轉軸線的偏心量小于1 μm；位移傳感器通過磁力表座固定在臺架上，并使傳感器的測頭在水平方向上通過標準球的球心。

圖2 徑向回轉誤差測試圖 圖3 軸向竄動誤差測試圖

測試所得信號中除了噪聲以外包含3種成分：偏心誤差、圓度誤差和回轉誤差。目前，消除偏心的方法主要有最小二乘法和消一次諧波法。最小二乘法的原理是先找出圖形的最小二乘擬合圓心，再將圖形平移至擬合圓心以達到消除偏心的目的。由于實際測得的圖形不是理想圓，而且平移并不改變圖形形貌，無法消除偏心引起的心形凹陷，因此采用最小二乘法來消除偏心的影響是不恰當的；只有當主軸轉子軸線與實際回轉軸線同軸，即e=0時，測量圖形為理想圓，最小二乘法消除偏心的方法才適用。由于偏心對誤差測試信號的影響是向測試信號中加入了較強的一次諧波成分和較弱的二次及高次諧波成分，當偏心小于1 μm時，偏心引起的二次以上諧波幅值在10-5μm數量級，可以忽略不計，因此采用消一次諧波法消除測試信號中的偏心所產生的影響。而圓度誤差與主軸回轉誤差都具有比較寬的頻帶，不容易區分清楚。

2.2 主軸的軸向竄動誤差

軸向竄動誤差測量方法如圖3所示，同樣采用標準球作為被測對象。將陶瓷標準球及偏心調整工裝固定在空氣主軸上，調整偏心誤差在1 μm以內，豎直放置位移傳感器并保證測頭通過標準球球心，移動傳感器測頭同時觀察讀數，找到讀數最大點。這樣就使位移傳感器的測頭接觸到標準球的最高點。進行測量并采集數據，采用消一次諧波法消除測試信號中的偏心所產生的影響，得到軸向竄動誤差。

2.3 主軸的角度擺動誤差

角度擺動誤差的測量方法如圖4所示，采用直徑60 mm的平晶作為被測對象。將按120°粘有3個標準球的三爪卡盤放置在空氣主軸上，調整偏心誤差在1 μm以內；調節三爪卡盤，使3個標準球最高點的高度差在1 μm以內；再將平晶放置在標準球上，用三爪卡盤輕輕鎖緊，進行測量并采集數據，采用消一次諧波法消除測試信號中的偏心所產生的影響，得到軸向竄動誤差。

圖4 角度擺動誤差測試圖

3 測量結果

試驗采用的氣浮主軸主要應用在轉臺方面，氣浮轉臺的轉速一般為每分鐘幾轉，相對較低，相當于主軸的靜態性能。

采用瑞士TT80接觸式電感測微儀，其分辨率為0.01 μm，要求主軸的轉速≤10 r/min，將傳感器的測頭接觸主軸上的標準球或平晶進行測量。選用美國Quatech公司的DAQP-12型數據采集卡，其具有12位分辨率，采樣率可達100 kHz。陶瓷標準球誤差為0.07 μm，將標準球固定于標準球座上。再通過偏心調整工裝將標準球座與主軸相連接，并利用偏心調整工裝調整標準球球心與主軸回轉軸心的偏心量。

半球半徑50 mm，球面節流器采用每排8個進氣孔的雙排環形氣腔，小孔直徑d取0.2 mm，氣腔邊長3 mm，供氣壓力0.5 MPa，環境溫度為20 ℃時主軸勻速轉動，轉速為6 r/min情況下，空氣主軸徑向回轉誤差的測量處理結果如圖5所示。圖中，虛線代表原始測量結果，有明顯的一次諧波成分；實線為經過一次諧波分離后的結果。

圖5 徑向回轉誤差測量結果

采用同樣的方法，在同樣的試驗環境下，測量空氣主軸軸向竄動誤差和角度擺動誤差。經過消除一次諧波處理后得到的3種誤差結果見表1。

表1 主軸的回轉誤差 μm

從表1可以看出，采用文中方法得到的主軸徑向回轉誤差、軸向竄動誤差和角度擺動誤差均比較小，其中一次分量的偏心影響可通過消一次諧波法來消除，軸向竄動誤差和角度擺動誤差經過消一次諧波法消除安裝偏心后也得到了比較理想的結果。

4 結束語

對設計的空氣靜壓球面軸承主軸進行了徑向回轉誤差、軸向竄動誤差和角度擺動誤差的測試，并采用消一次諧波法消除安裝偏心，得到了比較理想的測試結果，同時也驗證了該主軸設計的合理性。