CN114952415A - 双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构及方法 - Google Patents

Abstract

一种双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构及方法，采用双测量截面结构，以及四支位移测量传感器实现主轴回转误差的动态测量；一个测量截面为基准截面，另一个为测量截面；每个测量截面通过一个支架上固定空间成正交分布的两个位移测量传感器测量，实现单一测量截面的轴心轨迹及轮廓动态偏移量的测量，两组信号的差值为主轴的动态回转精度；利用了两个测量截面的相对测量，动态获取了主轴的回转误差，并有效抑制随机误差的产生，可实时监测机床主轴系统运行精度；本发明可实现机床主轴及回转体零件的回转精度动态测量及空间回转误差的标定。

Description

双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构及方法

技术领域

本发明涉及几何量精密测量与机床主轴动态回转精度测量领域，具体涉及一种双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构及方法。

背景技术

机床主轴回转精度是保障机床加工质量的关键，主轴回转误差是影响机床加工精度的重要因素，回转精度的优劣将直接影响着被加工零件的几何形状精度及加工质量。影响机床回转精度的因素包括轴承的回转误差、转轴的刚度、主轴的装配质量和运行转速等，考虑主轴回转精度对被加工零件几何量误差及加工质量的影响，必须结合主轴的工作方式对主轴回转精度进行测量，精确获悉回转误差的量值，减小主轴回转精度对被加工零件尺寸误差、形位误差的影响，有效改善机床的加工精度与零件的加工品质。

机床主轴前端由于安装工件、刀柄和刀具，加工过程中受切削力周期性改变与波动，容易导致回转精度直接对被加工零件的形状尺寸和形位精度产生影响；同时，由于主轴自身结构存在的缺陷和长期运行的性能衰变，也是导致回转精度降低或者不稳定的主因。回转精度测量属于动态测量，由于现有主轴回转精度测量方法以静态测量打表为主，不能真实反映实际回转状态下的运行精度，且测量过程忽视了主轴结构对其的影响。因此，针对机床主轴回转精度测量的问题，提出一种双测量截面的机床主轴回转误差测量与标定方法，以提升机床主轴的测量精度。

发明内容

为了克服上诉现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构及方法，可实现机床主轴及回转体零件的回转精度动态测量及空间回转误差的标定。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构，包括4支支位移测量传感器S1、S2、S3、S4，位移测量传感器S1、S2安装在支架B1上，位移测量传感器S3、S4安装在支架B2上；位移测量传感器S1和S2的两个轴线呈90°夹角，位移测量传感器S3和S4的两个轴线呈90°夹角；两个测量截面C1、C2分别位于主轴前端轴承的内侧与外侧，且两个测量截面平行；支架B1安装在固定支撑座上测量截面C1，支架B2安装在固定支撑座上测量截面C2，支架B1和支架B2安装在同一个支撑座上，且位移测量传感器S1与位移测量传感器S3处于平行位置，以保障测量截面初相位相同；回转部件做回转运动，位于主轴前端轴承内侧的位移测量传感器S1和S2形成一个坐标系，采集测量截面C1的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量，作为测量基准信号；位于主轴前端轴承外侧的位移测量传感器S3和S4形成一个坐标系，采集测量截面C2的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量，作为回转测量信号；同步测量两组测量截面轮廓的偏移信号及轴心轨迹，两组信号的差值为主轴的回转误差和轴心实际移动量，即获得主轴的动态回转精度。

一种双测量截面的机床主轴回转误差测量与标定方法，包括以下步骤：

1)在主轴前端轴承支撑前后确定两个测量截面C1、C2位置；

2)安装位移测量传感器的支架B1和B2，并调整支架B1和B2具有统一的测量基准；

3)给支架B1安装位移测量传感器S1、S2，给支架B2安装位移测量传感器S3、S4，位移测量传感器S1和S2形成一个X-Y坐标系，S1轴线与X轴重合，S2轴线与Y轴重合；位移测量传感器S3和S4形成一个X-Y坐标系，S3轴线与X轴重合，S4轴线与Y轴重合；位移测量传感器S1与S3平行，位移测量传感器S2与S4平行；

4)通过标准球对位移测量传感器S1、S2、S3、S4进行标定，然后手动逆时针和顺时针方向回转主轴，标定测量截面C1、C2轮廓的位置及位移测量传感器的初始位置的偏移量；

5)手动调整四个位移测量传感器的位置，且所有位移测量传感器轴线均通过测量截面中心，当不存在安装误差后，回转主轴；

6)设置数据采样长度及采样率，采集位移测量传感器测量值，每个测量截面X、Y方向数据合成轴心运动轨迹；

7)以测量截面C1的位移测量传感器S1和S2信号合成的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量作为测量基准信号；

8)以测量截面C2的位移测量传感器S3和S4信号合成的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量作为回转测量信号；

9)根据4支位移测量传感器S1、S2、S3、S4获得两个测量截面的被测数据进行计算，由回转测量信号减去测量基准信号即获得主轴回转误差；

10)由于获得的回转误差是动态量，需要根据采样长度、采样率及回转速度计算单圈数据的偏移量和多圈数据的偏移量，由此能够推算出主轴的中心在X-Y平面的动态偏移位置量和最大、最小偏移相位。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过对位移测量传感器起始位置进行精确标定，可有效地避免由于测量截面形状误差对测量结果的影响，可以实现回转误差的动态标定与相对测量，具有测量方法简单可靠，测量精度高的优点。

2、本发明通过两个测量截面四支位移测量传感器实现回转误差测量，其中，一个测量截面在主轴支撑端内侧，另一个测量截面在主轴支撑端外侧，内外侧测量轮廓的差值变动量为主轴的动态回转误差；在两个测量截面中，一个截面为基准截面，另一个截面为测量截面；同时，可结合位置测量与定位方式，可实现对动态回转误差及初始位置的标定；本发明利用了两个测量截面的相对测量，动态获取了主轴的回转误差，并有效抑制随机误差的产生，可实时监测机床主轴系统运行精度；本发明测量方法对基准精确标定要求不高。

3、本发明不仅可用于机床主轴的动态回转误差测量与标定，也可应用于回转部件的动态性能评估。动态回转误差测量中，系统误差可通过校准实现误差补偿，但随机误差无法通过标定获取，也无法按传统的方法补偿。比对测量可以有效实现随机误差的抑制，提高测量准确性。

附图说明

1)图1是本发明测量、标定结构示意图。

2)图2是本发明测量截面处位移测量传感器安装示意图。

3)图3是本发明测量截面的最大与最小偏移相位示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。实施例结合机床主轴对本发明进行说明，在主轴上采用两个测量截面和四支位移测量传感器对回转误差进行测量，并获得被测回转截面的动态轴心轨迹和动态偏移量，可以有效降低回转误差测量在机床上的实现难度，并提高测量精度及测量效率。

一种双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构，采用双测量截面结构，以及四支位移测量传感器实现主轴回转误差的动态测量，降低机床主轴回转误差测量实现的复杂程度。

如图1和图2所示，本实施例四支位移测量传感器S1、S2、S3、S4被安装在支架B1、支架B2上，支架B1、支架B2与机床结构相联测量主轴的两个测量截面，也可以单一分别测量主轴的回转偏移量；被选择位移测量传感器的测量分辨率应低于回转误差要求的测量精度，并且支架的加工精度也应符合回转误差测量的需要，两个测量截面的定位精度要相统一；位移测量传感器S1和S2安装在支架B1上，两个位移测量传感器按照位置保持正交，位移测量传感器S1轴线与X轴重合，位移测量传感器S2轴线与Y轴重合；位移测量传感器S3和S4安装在支架B2上，两个位移测量传感器按照位置保持正交，位移测量传感器S3轴线与X轴重合，位移测量传感器S4轴线与Y轴重合；位移测量传感器S2安装位置与位移测量传感器S1安装位置位于同一水平，且轴线位置都通过各个测量截面中心；按照实际应用，位移测量传感器分辨率为1μm，频响为1000Hz，线性度小于0.05％，数据最高采样频率为2000Hz。

回转部件做回转运动，位于主轴前端轴承内侧的位移测量传感器S1和S2形成一个坐标系，采集测量截面C1的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量，作为测量基准信号；位于主轴前端轴承外侧的位移测量传感器S3和S4形成一个坐标系，采集测量截面C2的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量，作为回转测量信号；同步测量两组测量截面轮廓的偏移信号及轴心轨迹，两组信号的差值为主轴的回转误差和轴心实际移动量，即获得主轴的动态回转精度。

一种双测量截面的机床主轴回转误差测量与标定方法，包括以下步骤：

1)对位移测量传感器进行位置校准，确定传感器位置系数；清洁机床主轴表面，测量截面轮廓表面尚未存在油污及杂质；如图1所示，在主轴前端轴承支撑前后确定两个测量截面C1、C2位置；

2)安装位移测量传感器的支架B1和B2，并调整支架B1和B2具有统一的测量基准且两者间的位置偏差控制在合理的范围内；

3)给支架B1安装位移测量传感器S1、S2，给支架B2安装位移测量传感器S3、S4，位移测量传感器S1和S2形成一个X-Y坐标系，S1轴线与X轴重合，S2轴线与Y轴重合；位移测量传感器S3和S4形成一个X-Y坐标系，S3轴线与X轴重合，S4轴线与Y轴重合；位移测量传感器S1与S3平行，位移测量传感器S2与S4平行；

4)通过标准球对位移测量传感器S1、S2、S3、S4进行标定，然后手动逆时针和顺时针方向回转主轴，标定测量截面C1、C2轮廓的位置及位移测量传感器的初始位置的偏移量；

5)手动调整四个位移测量传感器的位置，且所有位移测量传感器轴线均通过测量截面中心，当不存在安装误差后，按照一定转速回转主轴；

6)设置数据采样长度及采样率，采集位移测量传感器测量值，每个测量截面X、Y方向数据合成轴心运动轨迹；

如图2所示，位移测量传感器S1和S2组成一个单截面测量单元，其中位移测量传感器S1测量位置与测量截面C1的X向轴线一致，位移测量传感器S2测量位置与测量截面C1的Y向轴线一致，两者的相位差为90°；

7)以测量截面C1的位移测量传感器S1和S2信号合成的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量作为测量基准信号；

8)以测量截面C2的位移测量传感器S3和S4信号合成的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量作为回转测量信号；

9)根据4支位移测量传感器S1、S2、S3、S4获得两个测量截面的被测数据进行计算，由回转测量信号减去测量基准信号即获得主轴回转误差；

本实施例当主轴回转时，单一测量截面在一周上采集N个测点，单一测量截面可通过X向和Y向数据获得其轴心轨迹在X-Y坐标系的变化情况，同时可根据坐标数据计算获得测量截面轮廓的相位；按照设定回转中心获得关于测量截面动态径向偏移量的函数为F_i，其表达式为：

F_i＝R_i(x_i，y_i)，i＝1，2,…,N.

式中，R_i为偏移量，x_i为x向坐标偏移量，y_i为y向坐标偏移量，i为测量点序列数，

10)由于获得的回转误差是动态量，需要根据采样长度、采样率及回转速度计算单圈数据的偏移量和多圈数据的偏移量，由此能够推算出主轴的中心在X-Y平面的动态偏移位置量和最大、最小偏移相位，如图3所示。

测量完成后，将位移测量传感器返回零位，并重复测量；并对多组所获取的测量信号进行分析与处理，存储测量截面轮廓动态位移量坐标信号，计算与分析回转误差测量结果。

Claims (2)

1.一种双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构，其特征在于：包括4支支位移测量传感器S1、S2、S3、S4，位移测量传感器S1、S2安装在支架B1上，位移测量传感器S3、S4安装在支架B2上；位移测量传感器S1和S2的两个轴线呈90°夹角，位移测量传感器S3和S4的两个轴线呈90°夹角；支架B1安装在固定支撑座上测量截面C1，支架B2安装在固定支撑座上测量截面C2，两个测量截面C1、C2分别位于主轴前端轴承的内侧与外侧，且两个测量截面平行；支架B1和支架B2安装在同一个支撑座上，且位移测量传感器S1与位移测量传感器S3处于平行位置，以保障测量截面初相位相同；

回转部件做回转运动，位于主轴前端轴承内侧的位移测量传感器S1和S2形成一个坐标系，采集测量截面C1的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量，作为测量基准信号；位于主轴前端轴承外侧的位移测量传感器S3和S4形成一个坐标系，采集测量截面C2的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量，作为回转测量信号；同步测量两组测量截面轮廓的偏移信号及轴心轨迹，两组信号的差值为主轴的回转误差和轴心实际移动量，即获得主轴的动态回转精度。

2.利用所述一种双测量截面的机床主轴回转误差测量、标定结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在主轴前端轴承支撑前后确定两个测量截面C1、C2位置；

2)安装位移测量传感器的支架B1和B2，并调整支架B1和B2具有统一的测量基准；

3)给支架B1安装位移测量传感器S1、S2，给支架B2安装位移测量传感器S3、S4，位移测量传感器S1和S2形成一个X-Y坐标系，S1轴线与X轴重合，S2轴线与Y轴重合；位移测量传感器S3和S4形成一个X-Y坐标系，S3轴线与X轴重合，S4轴线与Y轴重合；位移测量传感器S1与S3平行，位移测量传感器S2与S4平行；

4)通过标准球对位移测量传感器S1、S2、S3、S4进行标定，然后手动逆时针和顺时针方向回转主轴，标定测量截面C1、C2轮廓的位置及位移测量传感器的初始位置的偏移量；

5)手动调整四个位移测量传感器的位置，且所有位移测量传感器轴线均通过测量截面中心，当不存在安装误差后，回转主轴；

6)设置数据采样长度及采样率，采集位移测量传感器测量值，每个测量截面X、Y方向数据合成轴心运动轨迹；

7)以测量截面C1的位移测量传感器S1和S2信号合成的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量作为测量基准信号；

8)以测量截面C2的位移测量传感器S3和S4信号合成的轴心轨迹及截面轮廓的动态偏移量作为回转测量信号；

9)根据4支位移测量传感器S1、S2、S3、S4获得两个测量截面的被测数据进行计算，由回转测量信号减去测量基准信号即获得主轴回转误差；

10)由于获得的回转误差是动态量，需要根据采样长度、采样率及回转速度计算单圈数据的偏移量和多圈数据的偏移量，由此能够推算出主轴的中心在X-Y平面的动态偏移位置量和最大、最小偏移相位。

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