CN109781042A - 一种主轴回转误差测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主轴回转误差测量装置，该装置包括主轴箱体、主轴固定套、联接盘和底座固定盘等；其中，主轴固定套一端安装在主轴箱体上，另一端与联接盘相连，底座固定盘固定在联接盘上，压板将支座底座压在底座固定盘的凹槽里，分度盘固定在底座固定盘上，传感器探头支座压在分度盘上并与支座底座相连；刀柄连接在主轴箱体内的转子上；传感器探头支座上有垂直于主轴轴向的安装孔，传感器探头安装在传感器探头支座上的安装孔内。该装置结构简单，安装方便，通过调整传感器探头支座在分度盘上的位置，确定传感器探头围绕刀柄的相对角度，可以精确地测量主轴回转误差；同时，该装置不仅可以测量主轴空转时的回转误差，还可以进行切削状态下的回转误差测量。

Description

一种主轴回转误差测量装置
技术领域
本发明涉及一种主轴回转误差测量装置，该装置通过安装在主轴上的分度盘可以确定传感器探头的安装角度，利用刀柄上的高精度圆柱面代替传统的标准棒或标准球，可以准确方便的测试主轴在空转和切削工况下的回转精度。
背景技术
机床正在朝着高速、高效、高精度的方向发展。主轴作为机床重要功能部件，其回转精度是衡量数控机床性能的重要指标之一，主轴回转误差较大不仅会加剧刀具的磨损，而且直接影响工件的加工质量，尤其在高速加工时会极大地增加机床的动态载荷，严重影响机床的使用寿命和精度保持性。因此，对主轴的回转误差进行测试分析成为重要的技术问题。
目前，主轴回转精度测量方法很多，但是这些方法大多只能在机床空转下进行测量，而主轴在切削工况下的回转误差形式与空转时并不相同，主轴在实际加工工况下的回转精度更能真实反应其运行精度与运行状态。而国内外只有极少数学者研究测量主轴切削工况下的回转精度。浮燕等[液体静压主轴回转精度测试方法的研究]首先利用标准球法计算出主轴回转误差，然后利用两点法从传感器探头数据中减去回转误差得到被侧面的圆度误差，最后在切削工况下从两点法测得的传感器探头数据中减去由前面计算出的圆度误差得到切削工况下的回转误差。但是这种测量方法在第一步测量主轴回转误差过程中就忽略了被测件的圆度误差，使得圆度误差混入到回转误差中，导致测量精度不高。因此，开展更加适用于切削工况下的回转误差测量技术对研究主轴动力学特性具有重要意义。
另外，利用多点法测试主轴回转误差时，传感器探头的安装角度直接影响测量精度的大小。研究发现[三点法误差分离技术中的两个基本问题]，即使传感器探头的实际安装角度与理论安装角度存在0.1°的差别，都会使得最终测量的回转误差无法成功分离。而现有的传感器安装布置方法很难保证传感器探头的实际安装角度与理论安装角度一致，并且安装过程极为繁琐。因此，设计能够精确确定传感器探头安装角度的回转精度测量装置具有十分重要的意义。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种主轴回转误差测量装置，该装置包括主轴箱体、主轴固定套、联接盘和底座固定盘等；其中，主轴固定套一端安装在主轴箱体上，另一端与联接盘相连，底座固定盘固定在联接盘上，压板将支座底座压在底座固定盘的凹槽里，分度盘固定在底座固定盘上，传感器探头支座压在分度盘上并与支座底座相连；刀柄连接在主轴箱体内的转子上；传感器探头支座上有垂直于主轴轴向的安装孔，传感器探头安装在传感器探头支座上的安装孔内。
本发明的优点是：
本发明能够精确确定各个传感器探头的安装角度，精确度达到0.1°，可以很大程度上提高回转误差的测量精度，为主轴回转误差与圆度误差的成功分离提供有力的支撑条件。
本发明为组合式机械结构，可先在机床外调整好传感器探头支座的位置，然后将测量装置安装到主轴固定套上，避免了在机床内调整传感器角度的操作不便及视角原因带来的误差，具备安装过程方便并且安装精度高的特点。
本发明兼具空转和切削状态下的回转误差测量，利用刀柄上的高精度圆柱面代替传统的标准棒或标准球，解决了以往只能测试主轴空转状态下回转精度的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的支座底座连接剖视图；
图3为本发明的右视图；
图中：1、主轴箱体；2、主轴固定套；3、联接盘；4、底座固定盘；5、支座底座；6、压板；7、分度盘；8、传感器探头支座；9、刀柄；10、传感器探头。
图4为空转条件下主轴转速20rpm时三个传感器采集到的位移信号；
图5为切削条件下主轴转速7000rpm时得到的刀柄圆柱面圆度误差和主轴回转误差；
图6为切削条件下主轴旋转第4圈与第16圈的圆度误差。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1—3所示，本实施例提供了一种主轴回转误差测量装置，该装置包括主轴箱体、主轴固定套、联接盘和底座固定盘等；其中，主轴固定套一端安装在主轴箱体上，另一端与联接盘相连，底座固定盘固定在联接盘上，压板将支座底座压在底座固定盘的凹槽里，分度盘固定在底座固定盘上，传感器探头支座压在分度盘上并与支座底座相连；刀柄连接在主轴箱体内的转子上；传感器探头支座上有垂直于主轴轴向的安装孔，传感器探头安装在传感器探头支座上的安装孔内。
在圆形分度盘上有间隔为1°的刻度，在测量时为主尺，在扇形传感器探头支座正中间为0刻度基准线，基准线的右边有间隔为0.1°的刻度，在测量时为游标尺，主尺和游标尺的读数之和即为传感器探头支座所在的位置。
压板固定在底座固定盘上，支座底座可以在底座固定盘的凹槽里滑动；当传感器探头支座的角度调整好后，拧紧支座底座螺钉孔里的螺钉可将滑动的支座底座固定在底座固定盘的凹槽里。
传感器探头正对刀柄的高精度测量圆柱面，此圆柱面代替传统的标准棒，可以实现切削工况下的主轴回转精度测量。
本发明提供的一种主轴回转误差测量装置，使用过程包括以下步骤：
1)首先确定传感器理论安装角度，然后按照上述步骤调整安装主轴回转误差测量装置；
2)连接信号分析系统，并进行调试；
3)启动机床主轴，主轴带动连接在主轴转子上的刀柄转动，当主轴在某一特定工况下运转时，多个传感器探头同时测量刀柄上的位移信号，利用数据采集器和计算机对多个传感器测量的数据进行采集记录。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：
1)选用三点法测试主轴回转精度，选取的三个传感器的理论安装角度为：0°，89.3°，178.6°，按顺序搭建主轴回转精度测试装置，包括机床本体(铣床)，测试系统，信号分析系统。具体的顺序为：首先在机床外将可滑动的支座底座按照上述理论角度固定在在底座固定盘的凹槽里，然后在主轴箱体上依次安装主轴固定套、联接盘、已经确定好支座底座角度的底座固定盘、分度盘、传感器探头支座、位移传感器探头，最后连接传感器和数据采集器、计算机。
2)进行空转实验，设置主轴转速为20rpm，启动主轴，利用编码器信号触发实现等角度采样，编码器转一圈产生512个脉冲，即主轴转动一圈位移传感器等角度采集512个点。从图4中的位移信号可以看出，传感器1与传感器2之间的点数为127个点，对应角度为89.3°，传感器1与3之间的点数为254个点，对应角度为178.6°，与预先计算的理论角度一致，很好的证明了利用该装置能够精确的实现回转误差测量中实际安装角度与理论角度的一致性。
3)进行铣削实验，设置主轴转速为7000rpm，进给速度为600mm/min，切深为0.2mm，切宽5mm，工件为铝合金薄壁板，刀具采用3刃硬质合金立铣刀，铣削方式为干铣，方向为顺铣。数据采集方式与空转实验相同，利用频域三点法误差分离算法处理采集到的位移信号，得到刀柄圆柱面的圆度误差和主轴回转误差(图5)。随机选取主轴旋转第4圈与第16圈的圆度误差进行对比，对比结果如图6所示，从图6中可以看到，两圈圆度误差基本一致，说明了利用本装置测量主轴切削工况下回转误差的可行性。
根据以上实例可以看到，本发明提出的测量装置不仅结构简单，安装方便，而且安装测试精度高，解决了以往安装传感器费时费力且精度不高的问题，而且还可以实现主轴切削状态下的回转精度测量，具有很好的应用前景。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种主轴回转误差测量装置，其特征在于：包括(1)主轴箱体、(2)主轴固定套、(3)联接盘、(4)底座固定盘、(5)支座底座、(6)压板、(7)分度盘、(8)传感器探头支座、(9)刀柄和(10)传感器探头，其特征在于，主轴固定套(2)一端安装在主轴箱体(1)上，另一端与联接盘(3)相连，底座固定盘(4)固定在联接盘(3)上，压板(6)将支座底座(5)压在底座固定盘(4)的凹槽里，分度盘(7)固定在底座固定盘(4)上，传感器探头支座(8)压在分度盘(7)上并与支座底座(5)相连；刀柄(9)连接在主轴箱体(1)内的转子上；传感器探头支座(8)上有垂直于主轴轴向的安装孔，传感器探头(10)安装在传感器探头支座上(8)的安装孔内。
2.根据权利要求1所述的主轴回转误差测量装置，其特征在于，所述圆形分度盘(7)上有间隔为1°的刻度，在测量时为主尺，所述扇形传感器探头支座(8)正中间为0刻度基准线，基准线的右边有间隔为0.1°的刻度，在测量时为游标尺。
3.根据权利要求1所述的主轴回转误差测量装置，其特征在于，所述压板(6)固定在所述底座固定盘(4)上，所述支座底座(5)在所述底座固定盘(4)的凹槽里滑动；当所述传感器探头支座(8)的角度调整好后，拧紧所述支座底座(5)螺钉孔里的螺钉可将滑动的所述支座底座(5)固定在所述底座固定盘(4)的凹槽里。
4.根据权利要求1所述的主轴回转误差测量装置，其特征在于，所述传感器探头(10)正对所述刀柄(9)的高精度测量圆柱面。
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