機床主軸回轉精度測試實驗平臺設計

韓德東

摘 要：本文首先利用雙向測量法測量原理，通過A/D轉換器、由計算機控制對主軸回轉誤差進行數(shù)據(jù)采集、預處理與轉換。以快速傅里葉變換為基礎對回轉誤差信號進行功率譜分析，并提出以快速傅里葉變換和逆變換的方法對一次偏心分量進行消除。該系統(tǒng)運用于ZHS-1型多功能轉臺主軸回轉精度的實際測量，實現(xiàn)了主軸回轉誤差的在線測量和實時分析處理。

關鍵詞：回轉誤差；一次諧波；最小二乘；最小區(qū)域；傅立葉變換

中圖分類號：TH133 文獻標志碼：A

0 概述

近年來主軸回轉誤差的檢測一直在廣泛而深入地進行，并且取得了很大的成果。在外國，國際機械生產(chǎn)技術研究協(xié)會經(jīng)過4年的工作，于1976年正式發(fā)表了“關于回轉軸性能要求和誤差測定的統(tǒng)一”文件；在國內(nèi)，全國高校機械工程測試技術研究會、中國機械工程學會機械加工學會自1981年以來共召開了五次全國高精度回轉軸系測試基本理論和應用學術討論，所討論的問題在深度、廣度上都達到了相當高的水平。軸系回轉精度測試方法包括模擬量測試法和數(shù)字量測試法兩種。模擬量測試方法簡便、直觀，但有些測試方法精度不高。隨著微機的普及，軸系回轉精度的測試己由模擬量測試法向數(shù)字量測試法發(fā)展，此方法具有較高的數(shù)據(jù)處理精度，適用于對主軸回轉精度的測試。雖然國內(nèi)外已經(jīng)對主軸回轉誤差檢測的方法進行了研究，但專門用于檢測該精度的試驗裝置還不夠成熟，因此本文在前人研究的基礎上，重點對機床主軸回轉精度測試試驗平臺進行設計。

1 回轉精度測量方法研究

1.1 回轉精度數(shù)學描述

機床回轉主軸的誤差由軸向和徑向兩個方向組成。軸向誤差由自由度引起，此誤差容易消除。徑向誤差為4個自由度基礎上的誤差，但可對其進行簡化。當主軸運動時，主軸橫截面內(nèi)任意一點的運動隨時間的變化可以通過二維向量來表示。該點的回轉運動可表示成復函數(shù)N（t），且可由圓周運動Nr（t）與徑向誤差運動Ne（t）疊加來表示，且Ne（t）與Nr（t）正交。

1.2 回轉運動頻率分析

在某一恒定轉速下，轉軸質(zhì)量離心偏差形成的周期性軌跡其轉速與頻率相同。軸上一點的運動N（t）可具有周期性，定義主軸的角速度為ω，N（t）可展開成式（1）形式：

由式（1）可以推導出誤差運動軌跡的公式。

2 回轉精度測試實驗平臺設計

2.1 硬件設計

檢測平臺中的轉臺采用北京測振儀器廠ZHS-1型多功能轉子實驗臺作為測試系統(tǒng)的回轉主軸模型，其特點是結構緊湊、體積小、運轉方便。采用滑動軸承設計，可以非接觸地測量主軸的徑向振動和軸向位移。采用直流電機驅動，轉速0r/min～12000 r/min。

如圖1所示，主軸上有徑向傳感器和軸向傳感器。徑向傳感器有4個，分別位于前后軸承附近的主軸徑向截面上，每個截面上兩個傳感器互成90°，這正符合測試系統(tǒng)的需要，因此可以將其直接應用到測試系統(tǒng)中，能夠滿足高速主軸回轉精度測試的要求。

目前國際范圍內(nèi)適用于高速軸承的傳感器主要有電渦流式傳感器、電容式的傳感器、光電式傳感器。針對本測試系統(tǒng)的工作原理和結構特點，采用電渦流傳感器進行主軸回轉誤差位移量的測試，它不僅靈敏度高、線性范圍寬，而且工作穩(wěn)定可靠。傳感器的位置對整個測試系統(tǒng)有較大的影響，通常其位置應盡量接近執(zhí)行器件。一般來說徑向傳感器安置在接近軸承的位置。本系統(tǒng)采用雙向法進行誤差測量，為了得到兩個方向上的位移誤差，分別在兩端的徑向截面上安裝水平位移傳感器和垂直位移傳感器，兩者互為90°。主軸回轉精度測試實驗平臺的數(shù)據(jù)采集選擇研華USB數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡的采樣速率為150kS/s，同時具有先入先出緩存，可大大提高采樣頻率。該采集卡的分辨率為12位，采用8254定時計數(shù)器，最高轉換率達到了200kHz，因此具有較高的采集精度和采集速率，能夠對高速主軸回轉誤差測試進行采樣。

2.2 軟件設計

對測試系統(tǒng)程序的編制，采用了Microsoft Visual Basic 6.0，它是基于Windows系統(tǒng)環(huán)境下的面向對象的可視集成開發(fā)系統(tǒng)，具有高效、簡單易用及功能強大的特點，同時也有著良好的人機交互界面。雖然VB沒有對輸入輸出端口進行訪問的功能，但可以調(diào)用利用其他語言開發(fā)的動態(tài)鏈接庫函數(shù)。通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)即可實現(xiàn)程序中的各個功能，同時可以簡化程序代碼，提高了軟件的精確性與實用性。本系統(tǒng)即利用了USB采集儀廠商所提供的動態(tài)鏈接庫（usbad.dll），它所封裝的函數(shù)可以被VB在運行時直接調(diào)用，繼而對采集儀進行訪問和控制?；剞D誤差測試系統(tǒng)的工作原理是：系統(tǒng)以高精度的回轉軸中心線為測量基準，傳感器與被測主軸截面呈90°分布安裝，雙向動態(tài)測量不同時間的主軸實際輪廓到回轉中心半徑的變化，通過計算機采集半徑微小變化的數(shù)據(jù)，并用軟件處理和分析數(shù)據(jù)，評定回轉誤差，最后輸出測量結果。本文設計的實驗平臺界面如圖2所示。

3 試驗及誤差分析

我們分別在主軸轉速為2000r/min、4000 r/min和6000 r/min的情況下進行測試，每個轉速下測得10組數(shù)據(jù)取其平均值，分別以最小二乘圓法和最小區(qū)域圓法進行誤差評定。

測試步驟如下：（1）調(diào)整檢測球與主軸軸心在同一直線上，再連接位移傳感器時，轉動主軸，調(diào)整渦流傳感器距檢測球3的距離，使其電壓輸出值在5V左右，以保證傳感器及數(shù)據(jù)采集板在正常工作范圍（不允許超過10V）。（2）調(diào)整達到要求后方可連接數(shù)據(jù)線到計算機接口，此時計算機應處于關機狀態(tài)。（3）打開主軸回轉開關，使主軸開始旋轉。點擊“顯示”按鈕，顯示誤差曲線和功率譜曲線。（4）用測速儀監(jiān)測，調(diào)整主軸的回轉速度，填入“當前轉速”一欄內(nèi)，點擊“應用”按鈕。（5）點擊“評定”按鈕，進入回轉誤差評定界面，觀察誤差圓圖像。（6）點擊主界面上的“消偏”按鈕，對所測得的誤差進行一次諧波濾波，消除偏心誤差，觀察此時的誤差曲線。點擊“停止”按鈕，進入回轉誤差評定界面，觀察此時的誤差圓圖像。在“誤差評定方法”選項中分別選擇“最小二乘圓法”和“最小區(qū)域圓法”“點擊”評定按鈕"進行評定，評定結果顯示在右側輸出欄內(nèi)。（7）試驗完成從菜單欄中的“退出”或右上角關閉按鈕退出界面。

實驗結果如下：（1）轉速2000rpm時，LSC為49.28568，MZC為48.75908；（2）轉速4000rpm時，LSC為54.39139，MZC為53.87151；（3）轉速6000rpm時，LSC為69.69157，MZC為69.17551。

結論

本文對高速主軸回轉誤差測試的方法進行了研究，采用雙向測量法進行誤差測試，同時分析了高速主軸回轉誤差中的頻率成分，對回轉誤差測量中的一次諧波進行了研究，從高速軸承系統(tǒng)的控制角度出發(fā)，提出了采用快速傅立葉變換和逆變換的方式對一次諧波進行處理；采用最小區(qū)域圓法和最小二乘圓法進行誤差評定。建立起測試系統(tǒng)的硬件結構，編制了測試軟件。

參考文獻

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