主轴回转精度的演示

当该同步分解器转轴随主轴旋转时，它的输出端子 上会输出二个相位相差 90 度，频率与机床主轴旋 转频率相同的正弦波信号，可用同步分解器来产生 基准圆。测量仪器由高精度电容式位移测量仪 5， WG 回转精度测试仪 6，双踪电子示波器 7，SC— 16 光线记录示波器 8 组成。当被测主轴回转时。 基准钢球与传感器之间的径向间隙发生变化，传感 器拾取基准钢球的位移量变化信号，经放大后，由 双选频网络消除基准钢球安装偏心所引起的位移量 变化信号。这样，剩下的信号便是由主轴径向误差 运动所引起的了。然后将它分别与同步分解器输送 来的信号合成，处理后输入双踪示被器 6 的 x 轴与 y 轴(示被器的水平偏转板与垂直偏转板)，在示波器 荧光屏上就可观察到一个近似于回转刀具刀尖的运 动轨迹。
两种传统方法的总结
传统的捷克 VUOSO 双向测量法适用于测试刀具回转型主轴径向误差运 动, 美国 LRL 单向测量法适用于测试工件回转型主轴径向误差运动。两 种方法都是在机床空载或模拟加工的条件下，通过对基准球(环)的测量， 在示波器屏幕上显示出主轴回转而产生的圆图象。将圆图象拍摄下来便 可用圆度样板读取主轴径向误差运动数值。这种测试方法虽然能够在试 验现场显示图形，直观性强，便于监视机床的安装调试，但也存在一些 不足，如基准钢球的形状误差会复映进去，不能反映切削受载状态,存在 一定的原理误差等。所以测量精度难以提高，实际应用受到一定限制。 经过多年的研究，目前主轴误差运动主轴误差运动的测试与数据处理方 法有了很大的改进，引入频镨分析理论和FFT 变换技术，通过用计算机 来进行测量数据处理，使整个测量过程更方便、数据处理更科学、测量 结果更正确。
单向测量法
测量系统的组成：单向测量法适用于 测量刀具固定机床 (如车床类) 的主 轴 径 向 误 差 运动。测量时，测量 仪器设备配置如图2-6 所示。图中 1 为待测机床主轴，它的端部安装有测 量附件 2。附件的一端为夹持件，另 一端粘牢一个高精度的基准钢球 3。 在中间两圆盘之间有一个小钢球作为 支点，两圆盘用三个螺钉联接。调节 三个螺钉便可借以调节基准钢球的几 何中心轴线与主轴回转中心轴线的偏 心量。传感器安装在误差敏感方向。 在机床主轴后部同轴联接一个同步分 解器 4，它的工作原理类似于同步旋 转变压器。
主轴回转精度的测量方法
先来看一下两种传统的方法： 捷克 VUOSO 双向测量法和美国 LRL 单向测量法。
双向测量法
双向测量法适用于测量刀具旋 转机床(如镗床类)的主轴径向误 差运动。传统的测量装置如图25所示。在主轴前端固定一个基 准钢球 1，在互相垂直的两个方 向上各固定传感器 2。为了便于 分析试验结果，基准钢球中心与 主轴回转中心 o 略有偏心。主 轴回转时，基准钢球与两个传感 器之间的径向间隙发生变化。传 感器拾取的信号经放大器 3 放 大后分别输入双迹示被器 4 的 x 与 y 轴(示被器的水平偏转板与 垂直偏转板)，在示波器荧光屏 上就可观察到一个近似于回转刀 具刀尖的运动轨迹。
C.造成径向非同步误差(Asynchronous Error)的原因:
5.机台内部振动源(Self excited motion)引起的: •液压系统(Hydraulic system) •冷却系统(Coolant system) •齿轮、皮带及皮带轮(Gears, belts, pulleys) •润滑系统(Lubrication systems) 6.机械结构或主轴之共振 (Resonant frequencies of the machine elements including the spindle that are not synchronized to the rotational speed.)。
对于刀具旋转，工件固定 的机床(譬如镗床)，刀具 在任何径向的误差运动， 都将 1：1 反映到工件表 面上。因此，刀尖至理想 回转轴心的连线为敏感方 向，且敏感方向随刀尖回 转而回转。如 果 以 主 轴 回 转 角 作 为 自 变量， 以误差运动在敏感方向的 分量作为因变量，则误差 图形是杂乱无章的，如图 2-4a 所示。如果将这部分 误差这加在一个理想的基 圆上，就能够比较直观地 显示出径向误差运动的圆 图象，如图 2-4b 所示。
C.造成径向非同步误差(Asynchronous Error)的原因:
1.轴承预压不当(Improper preload)。 2.轴承缺陷(Bearing defects) 例如: •滚珠或滚柱尺寸有差异或缺陷(Size variation or defect sin rolling elements )。 •滚珠或滚柱与轨道面的摩擦(Defects such as Galling of rotating race)。 • •保持器磨损变形或组装不良。(Bearing cages–Worn or installed (Bearing improperly) 3.机台结构变形造成相对振动(Structural Motion/relative vibration)。 4.由机台外部振动源造成的结构振动变形(Conducted vibration from the floor that caused motion between the probe and master target.)。
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主轴回转精度的测量原理
主轴回转误差运动 误差敏感方向
主轴回转误差运动
主轴回转时，在某一瞬时，旋转的线速度为零的端点联线为主 轴在该瞬时的回转中心线。 理想情况下，主铀回转中心线的空间位置，相对于某一固定参 考系统应该是不随时间变化的。 实际上由于主轴轴颈不圆、轴承存在缺陷、主轴挠曲、轴支承 的两端对轴颈中心线不垂直以及振动等原因，使得主轴回转中 心线在每一瞬时都是变动的。因而，在进行测试数据处理时， 往往只能以回转主轴各瞬时回转中心线的空间平均位置作为回 转主轴的“理想”中心线。主轴瞬时回转中心线的空间位置相 对理想中心线空间位置的偏差，也就是回转主轴的瞬时误差。 瞬时误差的变化轨迹也就称为回转误差运动。
如图 6-l 所元，若 o1o1，……，oioi为主 轴各瞬时的回转中心线， oo 为它们在空间的平 均位置，即理想回转中 心线，那么，δ0，……， δi便是主轴的瞬时回转 误差，误差的范围也可 大致看成是主铀的回转 精度。
可以想象，主轴瞬时回转中心线对 其理想中心线的偏移有五种可能，即沿 x， y， z 三个坐标方向的移动和绕 x 和 y 铀的转动。为了完全描述主轴回转中心 线的误差，理论上要采用五个传感器同 时在三个坐标方向上测量才行。 但是，就这些误差的形式，基本上可 分为三种： 〈1〉纯径向移动 指的是主轴各瞬时回转轴线平行于理 想中心线并沿 oz 或 oy 方向移动。 〈2〉纯角度摆动 指的是主轴回转轴线与理想轴线成倾 斜角运动，即绕 oz 轴，oy 轴作角度摆 动。 〈3〉纯轴向窜动 指的是主轴各瞬时回转轴线平行于理 想中心线并沿 ox 方向窜动。 以上三种误差形式往往同时并存。当 前两者同时存在时，称为径向误差运动； 当后两者同时存在时，称为端面误差运 动。
B.造成径向均匀误差(Average Error)的原因:
1.轴承内(外)环轨道不圆(Out of round stationary bearing races)。 2.轴承座不圆(Out of round bearing seats )。 3.轴承座不对心(Misaligned bearing seats)。 4.主轴动不平衡偶合结构刚性不均匀(Out of Balance condition coupled with non-uniform)，(I.e. a structure that is weak in one direction)。 5.机台结构与主轴转速共振(Resonant conditions of the machine structure that are synchronized with the rotational speed)。
误差敏感方向
对于工件旋转，刀具固定 的机床(譬如车床)，加工 工件时，如果主轴径向误 差运动在y方向，则误差将 以1：1的关系反映到工件 表面上，如图6-3a所示。 该方向就是这种机床加工 外圆时的误差敏感方向， 且敏感方向不变。主轴误 差运动在 z 方向，误差对 工件表面影响甚微，如图 6-3b 所示。该方向为非敏 感方向。
主轴回转精度
编者的话
人生的真正欢乐是致力于一个自己认为是伟 大的目标。 ——萧伯纳 不管研究什么，我们都先要知道自己的目的， 为什么研究它，研究它有什么作用，有的放 矢研究才有动力。 那么我们为什么要研究主轴回转精度呢？
意义和目的
随着机械制造业的发展，对零件的加工精度要求 越来越高，由此对机床精度要求也越来越高。作 为机床核心——主轴部件的回转误差运动，直接 影响机床的加工精度，它是反映机床动态性能的 主要指标之一，在《金属切削机床样机试验规范》 中已列为机床性能试验的一个项目。 研究主轴误差运动的目的，一是找出误差产生的 原因，另一是找出误差对加工质量影响的大小。 为此，不仅对主轴回转误差运动要能够进行定性 分析，而且还要能够给出误差的具体数值。
谢 谢
主轴动态回转精度分析
A.造成径向运动误差(Radial Error Motion)的原因: 有两个主要的原因造成工具机上之主轴回转精度误差: 1.轴承(Bearings)，包含轴承不对心(bearing alignment)。 2.机台结构变形造成主轴与量测点间的动态位移 (Structural motion between where the measurement point and the spindle.)。
什么是主轴回转精度
主轴在作转动运动时，在同一瞬间，主轴上线速度为零的点的联机，称 为主轴在该瞬间的回转中心线，在理想状况下，主轴在每一瞬间的回转 中心线的空间位置，相对于某一固定的参考系统（例如：刀架、主轴箱 体或工具机的工作台面）来说，应该是固定不变的。但实际上，由于主 轴的轴颈支承在轴承上，轴承又安装在主轴箱体孔内，主轴上还有齿轮 或其它传动件，由于轴颈的不圆、轴承的缺陷、支承端面对轴颈中心线 的不垂直，主轴的挠曲和工具机结构的共振等原因，主轴回转中心线的 空间位置，在每一瞬时都是变动的。把回转主轴的这些瞬间回转中心线 的平均空间位置定义为主轴的理想回转中心线，而且与固定的参考座标 系统联系在一起。这样，主轴瞬间回转中心线的空间位置相对于理想中 心线的空间位置的偏离就是回转主轴在该瞬间的误差运动。这些瞬间误 差运动的轨迹，就是回转主轴误差运动的轨迹。主轴误差运动的范围， 就是所谓的主轴回转精度 主轴回转精度。 主轴回转精度