一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置及方法与流程

1.本发明属于精密测量技术领域，更具体地，涉及一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置及方法。


背景技术：

2.打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。机床作为制造业的“工作母机”，是打造现代制造业，实现我国从制造业大国向制造业强国转变的装备保障。主轴单元是机床的核心零部件，其性能指标对整个机床的加工性能具有决定性影响。由于机床的主轴单元是直接夹持刀具进行切削加工的执行机构，因此主轴的回转误差运动会被直接复刻在被加工零件上。长久以来，机床主轴精度作为机床出厂的必检项目，通常是使用百分表和检验棒由人工来检测主轴的径向与轴向跳动。但是这种检测方法精度低，效率低，而且只能手动转动主轴在极低转速下实施。因此全面的、精确的、高效的主轴回转误差检测方法及设备已经成为了制造业迫切需要的关键技术。
3.传统方法检测的主轴的径向与轴向跳动，是主轴在极低转速下百分表的一个摆动范围。作为一个单一值，显然无法全面描述主轴回转过程中的误差运动。我们更希望得到的是以主轴转动角度为变量的误差运动曲线。并希望能够通过误差运动曲线进一步研究误差源。目前国内外一些学者也提出了一些采用非接触式传感器测量主轴回转误差运动的方法或装置。anandan等[an ldv-based methodology for measuring axial and radial error motions when using miniature ultra-high-speed(uhs)micromachining spindles]使用激光位移传感器测量微主轴轴向与径向误差运动。但是这类激光位移传感器调光过程极其复杂，而且反射光的强度受被测芯轴表面粗糙度和曲率的影响极大。这给车间环境的机床主轴的在机测量带来了很大不便。
[0004]
主轴在回转过程中不仅会产生径向和轴向的误差运动，主轴回转轴线的方向也会随主轴转角的变化而不断变化。主轴倾斜误差同样会对被加工零件的尺寸精度和表面质量产生极为不利的影响。也有一些学者提出了主轴倾斜误差的测量方法及装置。黄玉美等[空气主轴倾斜误差测量装置及测量方法]发明了一种使用两个光纤位移传感器的空气主轴倾斜误差测量装置及测量方法。但是该装置无法测量主轴径向和轴向误差，且无法分离被测芯轴的圆度误差。
[0005]
由于主轴的回转轴线不可见，只能通过装夹于主轴的工件(芯轴或球)来间接测量主轴的误差运动。因此工件的圆度误差不可避免的会混合入主轴的误差运动之中。由于高精度的工件加工制造困难，所以需要有效的圆度误差分离技术，以提高主轴误差运动的检测精度。目前常用的圆度误差分离方法主要有多点法、多步法和反向法。多点法采用多个间隔特殊角度的传感器同时测量主轴误差运动，再用相应算法从这些数据中分离出圆度误差。该方法为了减小谐波抑制现象，传感器之间的间隔角度特殊，因此无法在主轴回转误差运动综合测量装置上实现。多步法需要传感器在多个相同角度间隔的位置多次测量主轴的误差运动，步骤繁琐而且同样存在谐波抑制现象。反向法理论上可以完全分离芯轴圆度误
差和主轴回转误差，但是需要精密反向设备，且目前的研究大都在实验室环境。雷大江等[一种空气静压主轴的回转误差测量装置]发明了一种采用反向法的空气静压主轴回转误差测量装置，能够准确分离空气静压主轴的回转误差和标准球圆度误差。但该装置只适用于实验室环境，无法应用于机床主轴的在机测量。
[0006]
当前适用于机床主轴在机测量的，能够同时测量机床主轴的径向、轴向、倾斜角度误差的，且能够有效分离出芯轴圆度误差的机床主轴回转误差运动综合在机测量装置尚未见报道。


技术实现要素：

[0007]
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置及方法，其目的在于，提供一种适用于机床主轴在机测量的，能够同时测量机床主轴的径向、轴向、倾斜角度误差的，且能够有效分离出芯轴圆度误差的机床主轴回转误差运动综合在机测量装置。
[0008]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：
[0009]
一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，所适用的机床包括主轴箱、主轴、主轴端面定位键、刀柄和机床工作台，该在机测量装置包括：芯轴、第一非接触位移传感器、第二非接触位移传感器、第三非接触位移传感器、第四非接触位移传感器、第五非接触位移传感器、传感器支架、3轴精密调整平台、连接板、可调磁力底座和数据处理模块，其中，
[0010]
所述芯轴作为第一至第五非接触位移传感器的测量目标，通过刀柄装夹于主轴上，所述芯轴、所述刀柄和所述主轴的轴线重合，所述主轴通过一对对称安装的主轴端面定位键定位刀柄的角度位置及传递切削扭矩；
[0011]
第一、二非接触位移传感器分别沿机床x、y进给轴方向有间隙地布置在第一测量点对应的芯轴壁面的外侧；第三、四非接触位移传感器分别沿机床x、y进给轴方向有间隙地布置在第二测量点对应的芯轴壁面的外侧；第一、二测量点均为所述芯轴的轴线上的点，且第一测量点在第一、二非接触位移传感器的轴线上，第二测量点在第三、四非接触位移传感器的轴线上；所述第五非接触位移传感器有间隙地布置在所述芯轴的底部下方且轴线与芯轴重合；
[0012]
第一至第五非接触位移传感器均通过传感器支架与所述3轴精密调整平台固定连接，所述3轴精密调整平台固连于所述可调磁力底座上，所述可调磁力底座通过磁力吸附于机床工作台上；
[0013]
所述数据处理模块用于接收第一至第五非接触位移传感器测量的信号，并对信号进行处理，得到机床主轴的径向、轴向、倾斜角度误差和/或芯轴圆度误差。
[0014]
优选地，当采用donaldson反向法对芯轴圆度误差与主轴误差进行分离时，通过所述刀柄将所述芯轴反向装夹在主轴上，通过所述一对对称安装的主轴端面定位键将所述刀柄反向定位在所述主轴上，通过所述3轴精密调整平台对第一至第五非接触位移传感器进行反向旋转与定位。
[0015]
优选地，第一至第五非接触位移传感器的轴线与所述芯轴的轴线在x、y进给轴方向和回转角度方向的相对位置通过所述3轴精密调整平台进行调整，调整后，第一至第五非接触位移传感器的轴线与芯轴的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1
μm。
[0016]
优选地，所述第一非接触位移传感器和所述第二非接触位移传感器用于测量所述第一测量点处的主轴径向误差运动。
[0017]
优选地，所述第三非接触位移传感器和所述第四非接触位移传感器用于测量所述第二测量点处的主轴径向误差运动。
[0018]
优选地，所述第五非接触位移传感器用于测量所述芯轴的轴向误差运动。
[0019]
作为本发明的另一个方面，还提供了以下技术方案：
[0020]
上述装置的传感器与芯轴的相对位置调整方法，包括如下步骤：
[0021]
(a1)移动主轴、机床工作台或可调磁力底座的位置，使第一至第五非接触位移传感器的轴线大致对准芯轴的轴线，即第一、二非接触位移传感器的轴线大致对准第一测量点，第三、四非接触位移传感器的轴线大致对准第二测量点，第五非接触位移传感器的轴线大致与芯轴的轴线重合；
[0022]
(a2)转动所述3轴精密调整平台的y向螺旋微动手柄，使第一非接触位移传感器的测量值为最小，锁紧3轴精密调整平台的y向锁紧螺母；
[0023]
(a3)转动所述3轴精密调整平台的x向螺旋微动手柄，使第二非接触位移传感器的测量值为最小，锁紧3轴精密调整平台12的x向锁紧螺母；
[0024]
(a4)在所述y向锁紧螺母、x向锁紧螺母锁紧的前提下，分别沿y向或x向移动第一至第四非接触位移传感器以调整其与芯轴外圆面的距离，沿z向移动第五非接触位移传感器以调整其与芯轴底面的距离，使各传感器的测量值大致处于其量程中间位置，将各传感器固定在传感器支架上。
[0025]
作为本发明的另一个方面，还提供了以下技术方案：
[0026]
基于上述装置的机床主轴倾斜角度测量方法，包括如下步骤：
[0027]
(s1)通过3轴精密调整平台调整使得第一至第五非接触位移传感器的轴线与芯轴的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1μm；
[0028]
(s2)启动主轴使其以指定转速稳定旋转，记录第一至第四非接触位移传感器的测量数据，依次记为δx1(θ)、δy1(θ)、δx2(θ)和δy2(θ)，则回转过程中主轴轴线的平面角φ(θ)和倾斜角α(θ)分别由下式计算：
[0029][0030][0031]
式中，θ为主轴转角，d为第一、二测量点在z进给轴方向的距离。
[0032]
作为本发明的另一个方面，还提供了以下技术方案：
[0033]
基于上述装置的芯轴圆度误差分离方法，包括如下步骤：
[0034]
(t1)通过3轴精密调整平台调整使得传感器的轴线与芯轴的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1μm；所述传感器为第一非接触位移传感器、第二非接触位移传感器、第三非接触位移传感器或第四非接触位移传感器；
[0035]
(t2)启动主轴使其以指定转速稳定旋转，记录所述传感器的测量数据，记为mf(θ)；
[0036]
(t3)通过刀柄将芯轴反向装夹在主轴上，通过一对对称安装的主轴端面定位键将刀柄反向定位在主轴上，通过3轴精密调整平台对所述传感器进行反向旋转与定位；所述刀柄与所述传感器的反向旋转方向与角度相同；
[0037]
(t4)反向后再次通过3轴精密调整平台调整使得所述传感器的轴线与芯轴的轴线在x进给轴方向和y进给轴方向的不对中偏差不超过1μm；
[0038]
(t5)启动主轴使其以指定转速稳定旋转，记录所述传感器的测量数据，记为mr(θ)；则主轴误差运动s(θ)和芯轴圆度误差r(θ)分别由下式计算：
[0039][0040][0041]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0042]
本发明提供的机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，将5个非接触位移传感器即第一至第五非接触位移传感器分别布置在芯轴的径向方向和底部轴线方向，分别用来测量主轴旋转过程中的径向误差运动和轴向误差运动，测量信号通过数据处理模块对信号进行处理、分析计算和结果显示。其中芯轴通过刀柄装夹在主轴上，两个非接触位移传感器布置在芯轴轴线上部的第一测量点处，测量第一测量点处的主轴径向误差运动；另有两个非接触位移传感器布置在芯轴轴线下部的第二测量点处，测量第二测量点处的主轴径向误差运动；两测量点沿机床z轴方向间隔固定距离，两测量点的径向误差运动的对应点的连线就是主轴轴线的空间方向，以此测量出主轴回转过程中轴线的倾斜角度；利用donaldson反向法实现芯轴圆度误差与主轴误差运动的在机测量分离，其中芯轴的反向通过刀柄的反向安装实现，各非接触位移传感器的反向通过3轴精密调整平台的旋转定位实现。
[0043]
本发明利用芯轴、五个非接触位移传感器和相应的装夹装配部件实现在机测量主轴回转过程中的径向误差运动、轴向误差运动和倾斜角度的综合测量，且能够有效去除芯轴圆度误差的影响，提高了主轴回转误差运动的测量精度。本发明结构简单，安装调整方便，且不依赖于主轴编码器等主轴转速传感器，适用于主轴回转误差运动的综合在机测量。
附图说明
[0044]
图1是本发明实施例中一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置的整体结构示意图；
[0045]
图2(a)是本发明实施例中芯轴圆度误差分离测量的反向前测量示意图；
[0046]
图2(b)是本发明实施例中芯轴圆度误差分离测量的反向后测量示意图；
[0047]
图3为本发明实施例中主轴转速为3000r/min时第一测量点处的径向误差运动；
[0048]
图4为本发明实施例中主轴转速为3000r/min时一个回转周期内的主轴轴线方向；
[0049]
图5为本发明实施例装置分离出的芯轴圆度轮廓线和三坐标测量机测得的芯轴圆度轮廓线的对比。
[0050]
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0051]
1.主轴箱，2.主轴，3.主轴端面定位键，4.刀柄，5.芯轴，6.第一非接触位移传感器，7.第二非接触位移传感器，8.第三非接触位移传感器，9.第四非接触位移传感器，10.第五非接触位移传感器，11.传感器支架，12.3轴精密调整平台，13.连接板，14.可调磁力底座，15.机床工作台，16.信号调理采集模块，17.pc机。
具体实施方式
[0052]
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，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；另外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
[0054]
如图1所示，本发明实施例提供一种机床主轴回转误差运动综合在机测量装置，所适用的机床包括主轴箱1、主轴2、主轴端面定位键3、刀柄4和机床工作台15，该在机测量装置包括：芯轴5、第一非接触位移传感器6、第二非接触位移传感器7、第三非接触位移传感器8、第四非接触位移传感器9、第五非接触位移传感器10、传感器支架11、3轴精密调整平台12、连接板13、可调磁力底座14和数据处理模块，数据处理模块包括信号调理采集模块16和pc机17。
[0055]
其连接关系是：芯轴5作为第一至第五非接触位移传感器6-10的被测目标，通过刀柄4装夹于主轴2上。主轴2通过一对对称安装的主轴端面定位键3定位刀柄4的角度位置，并传递切削扭矩。测量时主轴2在主轴箱1内以指定的转速旋转。5个同型号高精度的非接触位移传感器即第一至第五非接触位移传感器6-10分别布置在芯轴5的径向方向和底部轴向方向，分别用来测量主轴旋转过程中的径向误差运动和轴向误差运动。位移传感器夹紧于传感器支架11上。传感器支架11固定安装于3轴精密调整平台12上。3轴精密调整平台12通过连接板13固定安装于可调磁力底座14上。可调磁力底座14通过磁力吸附于机床工作台15上。第一至第五非接触位移传感器6-10的测量信号经过信号调理采集模块16的放大、抗混叠滤波、模数转换等一系列处理后传送至pc机17上分析计算，得到机床主轴的径向、轴向、倾斜角度误差和/或芯轴圆度误差。
[0056]
第一非接触位移传感器6沿机床x进给轴方向有间隙地布置在第一测量点对应的芯轴壁面的外侧，第二非接触位移传感器7沿机床y进给轴方向有间隙地布置在第一测量点对应的芯轴壁面的外侧，用于测量第一测量点处的径向误差运动；第一测量点为芯轴5的轴线上的点，且在第一、二非接触位移传感器6，7的轴线上。
[0057]
第三非接触位移传感器8沿机床x进给轴方向有间隙地布置在第二测量点对应的芯轴壁面的外侧，第四非接触位移传感器9沿机床y进给轴方向有间隙地布置在第二测量点
对应的芯轴壁面的外侧，用于测量第二测量点处的径向误差运动；第二测量点为芯轴5的轴线上的点，且在第三、四非接触位移传感器6，7的轴线上；第一、二测量点沿机床z轴方向间隔固定距离。
[0058]
第五非接触位移传感器10有间隙地布置在所述芯轴5的底部下方且轴线与芯轴5重合。
[0059]
第一至第五非接触位移传感器6-10轴线与芯轴5轴线在x向、y向和回转角度方向的相对位置由所述的3轴精密调整平台12精密调整。调整后，所述位移传感器的轴线与芯轴5的轴线在x向和y向的不对中偏差不超过1μm。
[0060]
第一非接触位移传感器6和第二非接触位移传感器7测量芯轴轴线上部第一测量点处的主轴径向误差运动。第三非接触位移传感器8和第四非接触位移传感器9测量芯轴轴线下部第二测量点处的主轴径向误差运动。第五非接触位移传感器10测量芯轴的轴向误差运动。
[0061]
主轴回转过程中的轴线方向由所述的第一测量点和第二测量点处的径向误差运动的对应点连线确定，主轴在各个转角下的倾斜角度误差由其轴线方向计算得出。
[0062]
如图2(a)和图2(b)所示，所述装置运用donaldson反向法实现芯轴5圆度误差与主轴误差的分离。其中，所述的芯轴5的反向是通过刀柄4在主轴2上的反向装夹实现的。刀柄4在主轴2上的反向定位由一对对称安装的主轴端面定位键3保证。所述的位移传感器的反向是通过3轴精密调整平台12的旋转轴定位来实现的。
[0063]
在本实施例中，非接触位移传感器采用高精度电容式位移传感器，其具有
±
0.02％fsr(全量程)的测量精度，5k hz的带宽。但这并不对本发明构成限定，本发明也可以采用其他形式及参数规格的非接触式位移传感器。
[0064]
在本实施例中，测量开始之前首先要调整传感器与芯轴的相对位置，以使其轴线不对中偏差不超过1μm。其调整步骤如下：
[0065]
1)芯轴5安装完成后，移动机床主轴2、工作台15或可调磁力底座14的位置，使各传感器6-10轴线大致对准芯轴轴线。
[0066]
2)观察所述的pc机17里相应软件的第一非接触位移传感器6的实测距离值(即传感器表面与芯轴表面的距离)，转动所述的3轴精密调整平台12的y向螺旋微动手柄，使第一非接触位移传感器6的测量值为最小。此时即达到第一非接触位移传感器6与芯轴轴线对中，锁紧3轴精密调整平台12的y向锁紧螺母。
[0067]
3)观察第二非接触位移传感器7的实测距离值，转动所述的3轴精密调整平台12的x向螺旋微动手柄，使第二非接触位移传感器7测量值为最小。此时即达到第二非接触位移传感器7与芯轴轴线对中，锁紧3轴精密调整平台12的x向锁紧螺母。
[0068]
4)在传感器轴线对准芯轴轴线的前提下，移动各位移传感器6-10调整其与芯轴表面的距离，使传感器的测量值大致处于其量程中间位置。拧紧传感器支架上的各传感器夹紧螺钉，固定传感器。
[0069]
实施例一：利用上述装置进行主轴径向误差测量
[0070]
在该实施例中仅需要使用第一非接触传感器6和第二非接触传感器7，或者第三非接触传感器8和第四非接触传感器9。按照上述的传感器位置调整方法调整好传感器位置后，启动主轴使其以指定转速稳定旋转。同步记录第一非接触传感器6和第二非接触传感器
7的测量数据记为δx(θ)和δy(θ)，其中θ为对应的主轴转角。则主轴径向误差运动的计算公式为：
[0071]
r(θ)＝r0 δx(θ)cos(θ) δy(θ)sin(θ)
ꢀꢀ
(1)
[0072]
式中r0为绘制极坐标图时为方便显示添加的偏移值，优选芯轴的半径。本实施例在一数控立式加工中心上测得的在主轴转速为3000r/min时的第一测量点处的主轴径向误差运动如图3所示。之后便可以根据主轴径向误差的相应算法计算相应的主轴径向误差值。
[0073]
实施例二：利用上述装置进行主轴轴向误差测量
[0074]
在该实施例中仅需要使用第五非接触传感器10。按照上述的传感器位置调整方法调整好传感器位置后，启动主轴使其以指定转速稳定旋转。记录第五非接触传感器10的测量数据。之后便可以根据主轴轴向误差的相应算法计算相应的主轴轴向误差值。
[0075]
实施例三：利用上述装置进行主轴倾斜角度测量
[0076]
如图1所示，在本实施例中需要使用第一至第四非接触传感器6-9。按照上述的传感器位置调整方法调整好传感器位置，启动主轴使其以指定转速稳定旋转。记录第一至第四非接触传感器6-9的测量数据。在实施例一的基础上，分别计算第一测量点处和第二测量点处的主轴径向误差运动。连接两测量点处误差运动的对应点，即得到主轴回转过程中的主轴轴线方向，如图4所示。记两测量点处传感器的测量数据分别为δx1(θ)、δy1(θ)、δx2(θ)和δy2(θ)，则回转过程中主轴轴线的平面角φ(θ)和倾斜角α(θ)可由下式计算得到。
[0077][0078][0079]
式中，θ为主轴转角，d为第一、二测量点z向距离。
[0080]
实施例四：利用上述装置进行芯轴圆度误差分离
[0081]
如图2所示，在该实施例中可以仅使用一个位移传感器，比如第一非接触位移传感器6。按照上述的传感器位置调整方法调整好传感器位置，启动主轴使其以指定转速稳定旋转。记录第一非接触传感器6的测量数据，记为mf(θ)。然后将芯轴5通过刀柄4在主轴2上反向装夹。调整3轴精密调整平台12的旋转轴，使得第一非接触传感器6旋转180
°
(与芯轴5旋转方向及角度一致)。再次按照上述步骤1)-4)的传感器位置调整方法调整好传感器位置，启动主轴使其以相同指定转速稳定旋转。记录反向后的第一非接触传感器6的测量数据，记为mr(θ)。
[0082]
由于测量数据mf(θ)和mr(θ)均包含主轴误差运动s(θ)和芯轴圆度误差r(θ)，并且反向前与反向后两次测量数据中的主轴误差运动s(θ)的符号相反。于是，有如下关系：
[0083]
mf(θ)＝r(θ) s(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0084]
mr(θ)＝r(θ)-s(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0085]
由式(4)和式(5)可以计算出主轴误差运动s(θ)和芯轴圆度误差r(θ)：
[0086]
[0087][0088]
该实施例分离出的芯轴圆度轮廓线和三坐标测量机测得的芯轴圆度轮廓线的对比结果如图5所示。可以看出两圆度轮廓线基本一致说明了利用本装置分离芯轴圆度误差与主轴误差运动的可行性。
[0089]
本领域的技术人员容易理解，以上所述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。