CN107553216A - 偏心可调测试球和测试系统及机床主轴回转精度检测方法 - Google Patents

Abstract

偏心可调测试球和测试系统及机床主轴回转精度检测方法，测试球是由套筒和位于套筒外部顶端的球体和插入套筒内部且能够水平调整的柱体构成，套筒内部位于柱体下端设置有能够对柱体水平移动进行导向的导向机构，套筒的侧壁上沿径向设置有使测试球水平移动的调整机构，套筒的内侧形成有用于支撑导向机构的支撑隔板。测试系统，装夹在待测主轴的刀柄内的偏心可调测试球，对应偏心可调测试球设置的位移位移传感器，依次连接在位移传感器信号输出端的位移传感器驱动器、数据采集卡和计算机。方法是通过测试球采集待测主轴的位移数据，根据位移数据计算待测主轴径向回转误差值。本发明降低了测试成本，减少了人为干预，测试精度高。

Description

偏心可调测试球和测试系统及机床主轴回转精度检测方法

技术领域

本发明涉及一种机床主轴检测方法。特别是涉及一种偏心可调测试球和测试系统及机床主轴回转精度检测方法。

背景技术

随着现代制造业的不断发展，机床作为具有高科技含量的现代化“工作母机”，是实现制造技术和装备制造业现代化的重要基础装备，其质量、性能和拥有量是衡量一个国家工业现代化水平、综合国力的重要标志，因此在国民经济现代化的建设中起着重大作用。主轴单元是现代金属切削机床的重要组成部分，主轴单元的精度直接影响到整机的加工精度，因而主轴在装配完成或出厂验收时都会对其精度进行严格的检测。

主轴的主要运动是绕着它的平均轴线做单一的回转运动，因而主轴的回转精度是检测主轴单元的一项重要指标。以往的检查方法都是将一根高精度的检验棒装夹在主轴转子上，对检验棒进行检测，无论是采用千分表还是采用电子设备进行检验，检验棒的安装偏心误差是不可避免的，而安装偏心误差会影响到最终主轴单元回转精度的检测精度。而现有的检验棒的安装偏心都是不可调整的，一旦安装偏心误差较大，需要反复安装，无疑费时费力，增加的检测的难度。传统的回转精度检测方法都需要外接编码器来获取实际转速和角度信息，因此亟待一种偏心可调的测试球和一种利用安装偏心来辅助主轴单元回转精度检测的方法，这将很大程度上提高机床主轴单元回转精度的测试效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可调整测试球安装偏心误差大小的偏心可调测试球和测试系统及机床主轴回转精度检测方法

本发明所采用的技术方案是：一种偏心可调测试球，包括前后贯通的套筒和下部插入到所述套筒内的测试球，所述套筒的内侧和外侧均为上部直径大于下部直径的阶梯形结构，所述测试球是由位于套筒外部顶端的球体和插入套筒内部且能够水平调整的柱体一体形成，其中球体直径大于柱体直径，所述套筒内部位于所述柱体下端设置有能够对柱体水平移动进行导向的导向机构，所述套筒的侧壁上沿径向设置有用于通过驱动所述导向机构移动而达到调整所述柱体水平移动的调整机构，所述套筒的内侧位于上部与下部的交接处形成有用于支撑所述导向机构的支撑隔板，所述导向机构的底端通过贯穿所述支撑隔板的固定螺栓而固定在所述的支撑隔板上。

所述的导向机构包括有上导向块和下导向块，所述柱体底端沿径向形成有向内凹进的第一梯形凹槽，所述上导向块的顶端向上凸出的形成有能够嵌入到所述第一梯形凹槽内且与所述的第一梯形凹槽为间隙配合的第一导轨，所述上导向块的底端形成有向内凹进的第二梯形凹槽，所述下导向块的顶端向上凸出的形成有能够嵌入到所述第二梯形凹槽内且与所述的第二梯形凹槽为间隙配合的第二导轨，所述下导向块的底端形成有与所述固定螺栓螺纹连接的螺孔，在所述上导向块上，所述第一导轨与所述第二梯形凹槽呈十字方向设置。

所述的下导向块还通过上部嵌入到所述下导向块的底部，下部嵌入到形成在所述支撑隔板内的定位孔内的定位销而定位。

所述的调整机构包括有对称设置在所述套筒两侧的两个上调整螺钉和对称设置所述套筒两侧的两个下调整螺钉，其中，所述的两个上调整螺钉的端头沿所述套筒的径向螺纹贯穿的插入到所述套筒内且与所述测试球的柱体下部为接触连接，所述两个下调整螺钉的端头沿所述套筒的径向螺纹贯穿的插入到所述套筒内且与所述上导向块为接触连接。

一种基于偏心可调测试球的测试系统，包括有装夹在所述待测主轴的刀柄内的偏心可调测试球，对应所述偏心可调测试球设置的用于检测所述偏心可调测试球旋转过程中的径向跳动的位移位移传感器，连接在所述的位移传感器信号输出端的位移传感器驱动器，连接在所述位移传感器驱动器信号输出端的数据采集卡，以及连接在所述数据采集卡输出端的计算机。

一种采用基于偏心可调测试球的测试系统进行机床主轴回转精度检测的方法，包括如下步骤：

1)通过计算机设置采样频率f_s，采样长度N，通过偏心可调测试球、位移传感器、位移传感器驱动器和数据采集卡将待测主轴的位移数据送入计算机内，从采样长度N取长度为n的位移数据，将数据设为n行1列的矩阵；

2)对n行1列的矩阵进行二值化处理，得到一组方波信号，记录所述一组方波信号上升沿或下降沿所在的行数x(k)，计算所述一组方波信号中相邻的上升沿之间或相邻的下降沿之间的平均长度L_avr，得到待测主轴(4)运行转速的初始计算结果

3)选用可变参数的3阶Butterworth低通滤波器，根据待测主轴运行转速的初始计算结果设置滤波器的低通截止频率3ω_i，对长度为n的位移数据进行滤波处理，再将滤波后的长度为n的位移数据重复步骤2)得到待测主轴运行转速ω_i+1；

4)计算待测主轴运行转速的初始计算结果与滤波处理后得到待测主轴运行转速ω_i+1差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|，若所述差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|小于设定的阈值S，则认为滤波处理后得到待测主轴运行转速ω_i+1为主轴实际运行转速，若所述差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|大于设定的阈值S，则令ω_i＝ω_i+1，重复步骤2)－步骤3)，得到待测主轴新的运行转速ω_i+1，直至所得转速差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|小于设定的阈值S，则得到最终主轴的实际运行转速ω_i+1；

5)根据实际运行转速ω_i+1设置采样长度L_s，再次采集将待测主轴的位移数据，利用所采集的位移数据计算待测主轴径向回转误差值，并得到径向回转误差图；

6)若继续测试，则重复步骤1)－步骤5)，若停止测试，则保存测试数据和计算结果，结束测试。

步骤2)所述的二值化处理，是对长度为n的位移数据取平均值，将大于平均值的位移数据置为1，小于平均值的位移数据置为0，得到一组方波信号。

本发明的偏心可调测试球和测试系统及机床主轴回转精度检测方法，具有如下的优点和积极效果：

1)采用偏心可调的测试球可调整测试球安装偏心误差的大小，将其调整到一定范围内，使其对回转精度的检测精度产生的影响可以忽略；

2)利用偏心可调的测试球的安装偏心误差来获取实际转速和角度信息，节省了外接编码器，降低了测试成本；

3)采用一种自适应的滤波算法减少了人为干预，使转速和角度测量更加智能。

附图说明

图1是本发明一种偏心可调测试球的外部结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的侧视图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是本发明一种偏心可调测试球中的测试球的结构示意图；

图6是本发明基于所述的偏心可调测试球的测试系统的示意图；

图7是本发明进行机床主轴回转精度检测方法的流程图。

图中

1：位移位移传感器 2：偏心可调测试球

3：刀柄 4：待测主轴

5：位移传感器驱动器 6：数据采集卡

7：计算机 2-1：测试球

2-1.1：球体 2-1.2：柱体

2-1.3：第一梯形凹槽 2-2：套筒

2-3：上导向块 2-3.1：第一导轨

2-3.2：第二梯形凹槽 2-4：上调整螺钉

2-5：下导向块 2-5.1：第二导轨

2-5.2：螺孔 2-6：固定螺栓

2-7：定位销 2-8：下调整螺钉

2-9：支撑隔板

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的偏心可调测试球和测试系统及机床主轴回转精度检测方法做出详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的一种偏心可调测试球，包括前后贯通的套筒2-2和下部插入到所述套筒2-2内的测试球2-1，所述套筒2-2的内侧和外侧均为上部直径大于下部直径的阶梯形结构，所述测试球2-1是由位于套筒2-2外部顶端的球体2-1.1和插入套筒2-2内部且能够水平调整的柱体2-1.2一体形成，其中球体2-1.1直径大于柱体2-1.2直径，所述套筒2-2内部位于所述柱体2-1.2下端设置有能够对柱体2-1.2水平移动进行导向的导向机构，所述套筒2-2的侧壁上沿径向设置有用于通过驱动所述导向机构移动而达到调整所述柱体2-1.2水平移动的调整机构，所述套筒2-2的内侧位于上部与下部的交接处形成有用于支撑所述导向机构的支撑隔板2-9，所述导向机构的底端通过贯穿所述支撑隔板2-9的固定螺栓2-6而固定在所述的支撑隔板2-9上。

所述的导向机构包括有上导向块2-3和下导向块2-5，所述柱体2-1.2底端沿径向形成有向内凹进的第一梯形凹槽2-1.3，所述上导向块2-3的顶端向上凸出的形成有能够嵌入到所述第一梯形凹槽2-1.3内且与所述的第一梯形凹槽2-1.3为间隙配合的第一导轨2-3.1，所述柱体2-1.2通过第一梯形凹槽2-1.3能够沿所述第一导轨2-3.1移动。所述上导向块2-3的底端形成有向内凹进的第二梯形凹槽2-3.2，所述下导向块2-5的顶端向上凸出的形成有能够嵌入到所述第二梯形凹槽2-3.2内且与所述的第二梯形凹槽2-3.2为间隙配合的第二导轨2-5.1，所述上导向块2-3通过所述第二梯形凹槽2-3.2能够沿所述第二导轨2-5.1移动。所述下导向块2-5的底端形成有与所述固定螺栓2-6螺纹连接的螺孔2-5.2，所述的下导向块2-5还通过上部嵌入到所述下导向块2-5的底部、下部嵌入到形成在所述支撑隔板2-9内的定位孔内的定位销2-7而定位。在所述上导向块2-3上，所述第一导轨2-3.1与所述第二梯形凹槽2-3.2呈十字方向设置。

所述的调整机构包括有对称设置在所述套筒2-2两侧的两个上调整螺钉2-4和对称设置所述套筒2-2两侧的两个下调整螺钉2-8，其中，如图1、图2所示，所述的两个上调整螺钉2-4的端头沿所述套筒2-2的径向螺纹贯穿的插入到所述套筒2-2内且与所述测试球2-1的柱体2-1.2下部为接触连接；如图3、图4所示，所述两个下调整螺钉2-8的端头沿所述套筒2-2的径向螺纹贯穿的插入到所述套筒2-2内且与所述上导向块2-3为接触连接。

通过两个所述上调整螺钉2-4可以调整所述测试球2-1与所述上导向块2-3的相对位移，通过两个所述下调整螺钉2-8可以调整所述测上导向块2-3与所述下导向块2-5的相对位移，调整到合适位置后再采用所述上调整螺钉2-4和下调整螺钉2-8将所述测试球2-1和所述上导向块2-3锁紧。

如图6所示，本发明的基于所述的偏心可调测试球的测试系统，包括有装夹在所述待测主轴4的刀柄3内的偏心可调测试球2，对应所述偏心可调测试球2设置的用于检测所述偏心可调测试球2旋转过程中的径向跳动的位移位移传感器1，连接在所述的位移传感器1信号输出端的位移传感器驱动器5，连接在所述位移传感器驱动器5信号输出端的数据采集卡6，以及连接在所述数据采集卡6输出端的计算机7。所述位移传感器驱动器5的型号为Micro-Epsilon的CPM6011或Lion Precision的CPL290或Kaman的KD5100。

如图7所示，本发明的采用基于偏心可调测试球的测试系统进行机床主轴回转精度检测的方法，包括如下步骤：

1)通过计算机设置采样频率f_s，采样长度N，通过偏心可调测试球、位移传感器、位移传感器驱动器和数据采集卡将待测主轴4的位移数据送入计算机7内，从采样长度N取长度为n(例如：20圈的)的位移数据，将数据设为n行1列的矩阵；

2)由于偏心误差的存在，所采集到的位移数据为近似的正弦信号，需要对n行1列的矩阵进行二值化处理，得到一组方波信号，所述的二值化处理，是对长度为n的位移数据取平均值，将大于平均值的位移数据置为1，小于平均值的位移数据置为0，得到一组方波信号。记录所述一组方波信号上升沿或下降沿所在的行数x(k)，计算所述一组方波信号中相邻的上升沿之间或相邻的下降沿之间的平均长度L_avr，得到待测主轴4运行转速的初始计算结果

3)选用可变参数的3阶Butterworth低通滤波器，根据待测主轴4运行转速的初始计算结果设置滤波器的低通截止频率3ω_i，对长度为n的位移数据进行滤波处理，再将滤波后的长度为n的位移数据重复步骤2)得到待测主轴(4)运行转速ω_i+1；

4)计算待测主轴4运行转速的初始计算结果与滤波处理后得到待测主轴4运行转速ω_i+1差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|，若所述差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|小于设定的阈值S(例如小于所得转速的0.1％)，则认为滤波处理后得到待测主轴4运行转速ω_i+1为主轴实际运行转速，若所述差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|大于设定的阈值S，则令ω_i＝ω_i+1，重复步骤2)－步骤3)，得到待测主轴4新的运行转速ω_i+1，直至所得转速差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|小于设定的阈值S，则得到最终主轴的实际运行转速ω_i+1；

5)根据实际运行转速ω_i+1设置采样长度L_s，再次采集将待测主轴4的位移数据，利用所采集的位移数据计算待测主轴4径向回转误差值，并得到径向回转误差图；

所述利用所采集的位移数据计算待测主轴4径向回转误差值，并得到径向回转误差图，是采用专利号为ZL201410778724.9的专利中所公开的方法得到的。

6)若继续测试，则重复步骤1)－步骤5)，若停止测试，则保存测试数据和计算结果，结束测试。

Claims (7)

1.一种偏心可调测试球，包括前后贯通的套筒(2-2)和下部插入到所述套筒(2-2)内的测试球(2-1)，其特征在于，所述套筒(2-2)的内侧和外侧均为上部直径大于下部直径的阶梯形结构，所述测试球(2-1)是由位于套筒(2-2)外部顶端的球体(2-1.1)和插入套筒(2-2)内部且能够水平调整的柱体(2-1.2)一体形成，其中球体(2-1.1)直径大于柱体(2-1.2)直径，所述套筒(2-2)内部位于所述柱体(2-1.2)下端设置有能够对柱体(2-1.2)水平移动进行导向的导向机构，所述套筒(2-2)的侧壁上沿径向设置有用于通过驱动所述导向机构移动而达到调整所述柱体(2-1.2)水平移动的调整机构，所述套筒(2-2)的内侧位于上部与下部的交接处形成有用于支撑所述导向机构的支撑隔板(2-9)，所述导向机构的底端通过贯穿所述支撑隔板(2-9)的固定螺栓(2-6)而固定在所述的支撑隔板(2-9)上。

2.根据权利要求1所述的一种偏心可调测试球，其特征在于，所述的导向机构包括有上导向块(2-3)和下导向块(2-5)，所述柱体(2-1.2)底端沿径向形成有向内凹进的第一梯形凹槽(2-1.3)，所述上导向块(2-3)的顶端向上凸出的形成有能够嵌入到所述第一梯形凹槽(2-1.3)内且与所述的第一梯形凹槽(2-1.3)为间隙配合的第一导轨(2-3.1)，所述上导向块(2-3)的底端形成有向内凹进的第二梯形凹槽(2-3.2)，所述下导向块(2-5)的顶端向上凸出的形成有能够嵌入到所述第二梯形凹槽(2-3.2)内且与所述的第二梯形凹槽(2-3.2)为间隙配合的第二导轨(2-5.1)，所述下导向块(2-5)的底端形成有与所述固定螺栓(2-6)螺纹连接的螺孔(2-5.2)，在所述上导向块(2-3)上，所述第一导轨(2-3.1)与所述第二梯形凹槽(2-3.2)呈十字方向设置。

3.根据权利要求2所述的一种偏心可调测试球，其特征在于，所述的下导向块(2-5)还通过上部嵌入到所述下导向块(2-5)的底部，下部嵌入到形成在所述支撑隔板(2-9)内的定位孔内的定位销(2-7)而定位。

4.根据权利要求2所述的一种偏心可调测试球，其特征在于，所述的调整机构包括有对称设置在所述套筒(2-2)两侧的两个上调整螺钉(2-4)和对称设置所述套筒(2-2)两侧的两个下调整螺钉(2-8)，其中，所述的两个上调整螺钉(2-4)的端头沿所述套筒(2-2)的径向螺纹贯穿的插入到所述套筒(2-2)内且与所述测试球(2-1)的柱体(2-1.2)下部为接触连接，所述两个下调整螺钉(2-8)的端头沿所述套筒(2-2)的径向螺纹贯穿的插入到所述套筒(2-2)内且与所述上导向块(2-3)为接触连接。

5.一种基于权利要求1所述的偏心可调测试球的测试系统，其特征在于，包括有装夹在所述待测主轴(4)的刀柄(3)内的偏心可调测试球(2)，对应所述偏心可调测试球(2)设置的用于检测所述偏心可调测试球(2)旋转过程中的径向跳动的位移位移传感器(1)，连接在所述的位移传感器(1)信号输出端的位移传感器驱动器(5)，连接在所述位移传感器驱动器(5)信号输出端的数据采集卡(6)，以及连接在所述数据采集卡(6)输出端的计算机(7)。

6.一种采用权利要求5所述的基于偏心可调测试球的测试系统进行机床主轴回转精度检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过计算机设置采样频率f_s，采样长度N，通过偏心可调测试球、位移传感器(1)、位移传感器驱动器(5)和数据采集卡(6)将待测主轴(4)的位移数据送入计算机(7)内，从采样长度N取长度为n的位移数据，将数据设为n行1列的矩阵；

2)对n行1列的矩阵进行二值化处理，得到一组方波信号，记录所述一组方波信号上升沿或下降沿所在的行数x(k)，计算所述一组方波信号中相邻的上升沿之间或相邻的下降沿之间的平均长度L_avr，得到待测主轴(4)运行转速的初始计算结果

3)选用可变参数的3阶Butterworth低通滤波器，根据待测主轴(4)运行转速的初始计算结果设置滤波器的低通截止频率3ω_i，对长度为n的位移数据进行滤波处理，再将滤波后的长度为n的位移数据重复步骤2)得到待测主轴(4)运行转速ω_i+1；

4)计算待测主轴(4)运行转速的初始计算结果与滤波处理后得到待测主轴(4)运行转速ω_i+1差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|，若所述差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|小于设定的阈值S，则认为滤波处理后得到待测主轴(4)运行转速ω_i+1为主轴实际运行转速，若所述差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|大于设定的阈值S，则令ω_i＝ω_i+1，重复步骤2)－步骤3)，得到待测主轴(4)新的运行转速ω_i+1，直至所得转速差值的绝对值|ω_i-ω_i+1|小于设定的阈值S，则得到最终主轴的实际运行转速ω_i+1；

5)根据实际运行转速ω_i+1设置采样长度L_s，再次采集将待测主轴(4)的位移数据，利用所采集的位移数据计算待测主轴(4)径向回转误差值，并得到径向回转误差图；

6)若继续测试，则重复步骤1)－步骤5)，若停止测试，则保存测试数据和计算结果，结束测试。

7.根据权利要求6所述的进行机床主轴回转精度检测的方法，其特征在于，步骤2)所述的二值化处理，是对长度为n的位移数据取平均值，将大于平均值的位移数据置为1，小于平均值的位移数据置为0，得到一组方波信号。