CN1020800C - 大轴圆度、跳动临床测量方法及仪器 - Google Patents

Abstract

一种大轴圆度误差及跳动测试方法及临床测量仪，属于机械几何尺寸误差精密测量技术，特别是涉及大轴圆度误差及跳动临床测试方法及测试仪器。本发明提出利用误差分离技术采用两个以上传感元件可同时对大轴圆度误差及跳动、端面跳动的精密测量的方法，适合对直径大于250MM大型轴进行临床测量，操作方便，精度优于±1μm，系统误差小于0.25μm。

Description

本发明属于机械几何尺寸误差精密测量技术，特别是涉及大轴圆度误差及跳动临床测量方法及测量仪器。

随着科学技术的进步和工业的发展，对机械产品的质量要求越来越高，计量测试是保证机械产品质量的重要手段，但是在机械工业，尤其是在重型机械工业中，计量测试问题还未能得到很好地解决。对大型轴的圆度误差及跳动测量是重型机械计量测试的重要内容，大轴的圆度误差和跳动对轴的廻转工作状态有很大影响。轴的端面跳动对轴之间的连接质量有很大关系。高精度的主轴可以保证装配顺利进行，使机器在良好的状态下工作，延长机器寿命，减少停机检修的时间。对大轴圆度误差的传统测量方法是采用轴心基准法及V形块法。轴心基准法是将工件装在两个精度较高的顶尖上，使工件转动时，用百分表测出跳动近似为圆度误差值。显然，它带有原理误差，这种方法要求工件有高精度共轴的顶尖孔，在生产中这样的要求往往难于达到。V形块法也称三点法，是将工件放在V形块支架上，用百分表测量工件转动一圈的数值，找出测得的最大值Fmax（最高最低点读数差），则根据公式f＝Fmax/fn求出圆度误差f。式中fn为反映系数，fn与V形块角度α以及棱边数n有关。由于设备有限，一般难于比较准确确定棱边数n，为此采用2～3个固定角度的V形块来测量。这种方法设备简单，读数稳定，如能正确选择V形块的夹角，对棱圆度误差有放大作用。但是这种方法由于从百分表读出的是被测点圆度和V形块支架作用的综合结果，V形块支承两点的圆度也反映到百分表读数中来，而且工件在V形块中的窜动比较大，所以测量精度不高，对重达几十吨的工件测量时操作困难，测量周期长，因此很少实际应用。传统端面跳动的测量是将轴安装在没有轴向窜动的精密顶尖上，使用一个百分表来测量，而对安装在加工机床上，且机床主轴有轴向窜动的情况下，没有实用的方法。

为克服传统测量方法的不足之处，提高测量精度，并能在加工的过程同时进行测量，本发明提出一种大轴圆度误差及跳动临床测量方法以及实现此方法的测量仪器。其目的在于能在加工现场同时对大轴进行圆度误差、径向跳动、端面轴向跳动的高精度测量。

本发明提供的一种大轴圆度误差及跳动测量方法是利用误差分离技术原理，采用两个以上传感元件对加工过程中的被测件的不同位置进行同时测量，然后对所得信号进行实时处理显示。该测量方法包括以下内容：①采用三个传感器，该三个传感器设置采用半包围大轴外圆的方式，用付立叶变换进行谐波分析的误差分离技术测量圆度误差以及同三点测值取平均值法测量径向跳动;②测量端面跳动采用二个传感器，该传感器设置在轴端面边缘的同一圆周上，两传感器的距离调至能等分该圆周长;③采用光电开关信号为采样起始及终止信号;④在被测轴转动一圈内连续密集采样，取等分角度间隔点的方式，采得数据经电路处理单元输入计算机，由先编制的程序进行数据实时处理并显示出结果。本发明按上述方法提供一种大轴圆度误差及跳动临床测量仪器，由二个以上传感元件[2]、机械夹持装置[3]、光电开关[4]、电路处理单元[5]、计算机[6]组成，该机械夹持装置包括三测头夹持部件、二测头夹持部件、用于调节固定传感元件。夹持装置可安装在加工机床刀架上。

本发明的测量原理是采用误差分离技术叙述如下。

（一）圆度误差的测量：

如图1所示，三个传感器S₁，S₂，S₃的方向相交于一点O，且与截面主轴迴转平均线相重合，XOY为一个固定的坐标系，O′为工件截面瞬时转动中心线，O₁为工件截面最小二乘圆心的瞬时位置，其坐标为X（θ），Y（θ），其中θ表示工件转过θ角时的瞬时值，O_1ρ是固在工件上的极坐标。

记O到轮廓上某点的距离为r′（θ），O₁到轮廓上同一点的距离为r（θ），由于X（θ），Y（θ）＜＜r（θ），所以在XOY中，有：

r′（θ）＝r（θ）+X（θ）cosθ+y（θ）sinθ    （1）

设OO′的瞬时值为e（θ），且与OA夹角为σ，从几何关系可知，三个传感器的示值分别为：

将（1）代入（2），（3），（4）式，并令R（θ）表示某点的圆度，即R（θ）＝r（θ）-r，则上式可以化为：

为了消除主轴迴转误差造成工件在坐标系XOY中的窜动影响，将（5），（6），（7）式分别乘以1，a，b，其中：

a＝-sinβ/sin（α+β）

b＝-sinα/sin（α+β）

并将三式相加，则可以得到组合函数

S（θ）＝S₁（θ）+aS₂（θ）+bS₃（θ）

＝R（θ）+aR（θ-2）+bR（θ+θ）    （8）

在组合函数中已消除了e（θ），X（θ），Y（θ）对测量的影响，通过圆周之内的相关采样，可以解出R（θ）。

记S（K），R（K）为模拟量S（θ），R（θ）在一周内N个等间隔的离散采样值，如果选取合适的α、β，使得存在互质整数m₁，m₂使得m₁＝α·N/2π，m₂＝β·N/2π，对（8）式两端离散采样：

S（K）＝R（K）+aR（K-m₁）+bR（K+m₂）

对上式两端取离散付立叶变换DFT，则

F_S（n）＝F_R（n）+aF_R（n）e^-jnα+bF_R（n）e^jnβ

∴F_R（n）＝F_s（n）/（1+ae^-jnα+be^jnβ） （9）

对上式再取付立叶逆变换，即可以解出工件圆度值序列：

${\mathrm{R(K)=\Sigma F}}_R\mathrm{(n)e}{}^{\mathrm{j(}\frac{\mathrm{2\pi }}{N}·n)民·K}$

由于n＝1时（9）式分母为零，所以将造成一次谐波损失，但是一次谐波不影响圆度评定，当圆的最小二乘圆心为坐标原点时有：

比较（11）和（12）式可知，采用此法测出的圆度误差是最小二乘评定。

本发明通过谐波分析，找出了N，α，β的最佳数值，取N＝256，α＝67.5°，β＝56.25°。

（二）径向跳动测量：

在大轴的机加工中，径向圆跳动的基准是指主轴线的迴转平均线，因此，在圆度误差测量时，如果只考虑一个传感器的采样值则跳动的量值为：

△径＝Smax（θ）-Smin（θ）    （13）

本发明采用同一圆周上的三个传感器，取三个量值的平均值来计算径向跳动， 从而更准确地测量出径向圆跳动。

（三）端面跳动测量

被测对象为直径为D的端面该直径的同周等分为n等分，设等分点为i（i＝1，2，……n）。

使A，B两个传感器分别位于相邻的两个等分点上（如图3），设工件端面上各等分点对基准轴的跳动量为e_i（i＝1，2，……，n），相应的在第j个测量位置上机床主轴的轴向牵动为hj（j＝1，2，……n-1），A，B两个传感器在第j个测量位置处的读数分别为Aj，Bj。

为了消除机床主轴的轴向窜动对测量结果的影响，使A，B两个测头同时读数，用两者的差作为建立数据链的基础。公式（A）是A，B两测头在各个测量位置上的读数值：

（A）

式中σ是由于安装等引起的B测头相对于A测头的调零误差。设

是受调零误差影响的第i个分度点的跳动量，则：

为了消除调零误差σβ，从（B）式的最后一式得：

把σβ代回到（B）式，就可得到消除了调零误差的跳动量：

则按照端跳定义，可得端跳值为：

△＝｜（e_i）max-（e_i）min｜ （D）

由于（C）式中每个量都含有不定量h，所以（D）式的结果不受h的影响，由此可见用此方法得到的测量结果不受机床主轴的轴向窜动和测头调零误差的影响。

端面跳动测量的另一种方法是中心点、边缘点组合法。测量时将锥形附件装在轴端面的顶尖孔内，传感器s₁装在主轴中心线上，监视车床主轴回转时的轴向窜动，s₂传感器装在被测半径处，设某一瞬时主轴的窜动量为z（σ），端跳为h（θ），则传感器s₁，s₂的示值分别为

S₁（θ）＝Z（θ） （E）

S₂（θ）＝Z（θ）+h（θ） （F）

取组合函数：

S（θ）＝S₁（θ）-S₂（θ）＝h（θ） （G）

所以端跳值

△端＝Smax（θ）-Smin（θ）    （H）

本发明提出的这种大轴圆度及跳动误差测量方法及临床测量仪，由于消除了机床本身精度及加工运动状态带来的测量误差，大大提高了测量精度。由于所测数据输入计算机按预先编制的程序进行数据处理，测量迅速、可靠，适合加工现场测量。

附图简要说明：

图1为圆度误差测量原理简图

图2为本发明总体结构框图

图3为本发明三测头机械夹持结构图

图4为本发明二测头机械夹持结构图

图5为本发明电路处理单元框图

图6为本发明圆度误差测量数据处理程序框图

图7为本发明中心点、边缘点法测量端跳数据处理程序框图

图8为本发明边缘二点法测量端跳数据处理程序框图

其中[1]被测工件;[2]传感元件;[3]机械夹持装置;[4]光电开关;[5]电路处理单元;[6]计算机;[7]三测头夹具主体;[8]曲柄;[9]小轴;[10]微调手轮;[11]锁紧手轮;[12]刀架;[13]二测头夹具;[14]滑块;[15]垫片;[16]测量电桥;[17]振荡器;[18]相敏检波器;[19]滤波器;[20]直流放大器;[21]A/D转换器;[22]交流放大器。

本发明的一个实施例是对在大型车床上加工的汽轮机主轴进行临床测量。该主轴直径为0.35～0.8米，长度为5米，重达几十吨。测量仪总体方案如图2所示，包括传感元件（测头）[2]、机械夹持装置[3]、光电开关[4]、电路处理单元[5]、计算机[6]等部件所组成。机械夹持装包括用于测量圆度误差与径向跳动的拱形三测头夹具[7]，和测量端面跳动的L形二测头夹具[13]。该拱形三测头夹具如图3所示可采用合金铸铁铸成，其主体[7]拱背上钻有三个圆通孔，三条圆孔中心线夹角α、β分别为67.5°，56.25°。圆孔的上下面装配有微调手轮[10]和锁定手轮[11]当测头插入孔中可用来调整、锁定测头径向位置，以适应被测件尺寸的变化。曲柄装卡在车床刀架上并通过小轴[9]与主体[7]相联。通过刀架移动使夹具到达被测轴所测部位，主体[7]可绕小轴转动到合适位置对轴形成半包围再锁定住即可进行测量。该L形二测头夹具[13]也可采用合金铸铁铸成，如图4所示，其长臂有一长形通槽和一个装配有调节、锁定手轮的圆通孔，槽中装有可锁紧的滑块[14]，滑块上钻有一通孔并装配有调节锁定装置，当测头分别插入上述的两圆孔中，移动滑块调节两测头的距离，当调至二测头距离等于测量圆周1/a时，锁紧滑块。夹具的另一臂装卡在刀架[12]上，通过刀架移动使夹具到达被测轴的 端面外缘即可着手测量。该测量仪的电路处理单元如图5所示，由测量电桥[16]、振荡器[17]、交流放大器[22]、相敏检波器[18]、滤波器[19]、直流放大器[20]组成。传感元件采用电感测头。由振荡器产生的振荡电压加在测头中线圈L，L和调零电位器W组成的电桥[16]上。此电桥输出电压的大小正比于铁芯的位移量，相位则取决于铁芯自电桥的平衡点向上向下移动的方向，两者相差180°，移动W的动臂，借以实现调零，铁芯转动时，电桥失去平衡，位移转换成交流电压，这个信号被放大后，经相敏检波器[18]与滤波器[19]把它转换为直流电压，再经过直流放大器[20]放大后与计算机内部的A/D转换板[21]相匹配。光电开关[4]可采用红外二极管与光电三极管组成，设置在被测件外测，当被测件转动时发出信号，经过放大器、脉冲发生器输入计算机作为采样起始及终止信号。计算机主机可采用微型计算机，配有CRT显示器及打印机，由于在车间环境下应用，为保证仪器工作电源的稳定，防止电源波动和电源噪声对测量系统的干扰，本仪器配有电子交流稳压器与滤波器。

本测量仪装夹、调整完毕后，被测轴在机床的带动下缓慢转动，测头测出被测轴转动一圈的数据，经电路处理单元输入微型计算机进行数据处理。其中圆度误差测量数据处理程序框图如图6所示。中心点、边缘点法测量端跳数据处理程序框图如图7所示。边缘二点法测量端跳数据处理程序框图如图8所示。

本测量仪精度优于1μm，系统误差小于0.25μm。

Claims (4)

1、一种大圆度误差的临床测量方法，采用三个传感器，其特征在于机床的刀架上夹持一个半圆形的弓形架，在该弓形架上安放所说的三个传感器，在垂直于被测轴线的截面内形成67.5°和56.25°两个中心角，采用光电开关信号，在被测轴转动一圈内连续密集采样，取N=256等分间隔点的方式，采得数据经数据处理单元输入计算机，由予先编制的程序进行数据的实时处理并显示出圆度误差的测量结果。

2、一种大轴端面跳动的临床测量方法，其特征在于采用两个传感器，设置在一夹持器内，调整所述的两传感器在被测端面同一半径的圆周上，并调整两传感器圆周距离可等分该圆周长;采用光电开关信号为采样起始及终止信号，在被测轴随机床主轴转动一圈内对所说两个传感器同时连续密集采样;用两者的差作为建立数据链的基础，经电路处理单元输入计算机，由予先编制的程序进行实时处理;将各采样点因机床主轴的随机轴向窜动量分离掉，得到在大轴端面该测量圆周的跳动值，所述夹持器沿机床刀架横向移动，将两传感器置于被测端面的另一半径的园周上，重复以上测量、采样和处理步骤。

3、一种大轴端面跳动的临床测量方法，其特征在于采用两个传感器，分别设置于中心点及被测圆周上，采用光电开关信号为采样开始及终止信号，在被测轴随机床主轴转动一周内对所说的两个传感器同时连续密集采样，用两者的差作为建立数据链的基础，经电路处理单元输入计算机，由予先编制的程序进行实时处理，将各采样点因机床主轴的随机轴向窜动量分离掉，得到大轴端面跳动值，沿径向移动圆周上的传感器，重复上述测量采样和处理步骤，可以测得另一圆周上的端面跳动值。

4、用于权利要求2所述测量方法的临床测仪器，包括传感器元件、光电开关、电路处理单元、计算机等组成，其特征在于还包括夹持所说传感元件的L型机械夹持装置，其长臂有一长形通槽和一个装置有调节、锁定手轮的圆通孔，槽中装有可锁紧的滑块，滑块上钻有一通孔并装配有调节锁定装置，所说电路处理单元由测量电桥、振荡器、交流放大器、相敏检波器、滤波器、直流放大器所组成，由所说的振荡器发出的振荡电压加在所说的电桥上，将位移信号转换成交流电压，该信号所说交流放大器被放大后，经所说的相敏检波器、滤波器转换成交流电压，再经所说的直流放大器放大后送入计算机。

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