摘 要

随着科学技术的不断发展，工业水平不断提高，精密与超精密加工技术在现代加工生产中显得尤为重要。精密加工中的误差主要来自于主轴回转的误差，因此，研究主轴回转精度对精密加工领域有着重要意义。现阶段精密主轴回转误差测量装置只是针对特定的测量对象进行开发，还没有能够适应多种主轴的回转误差动态非接触测量的装置,本课题的研究也是基于实验台上的主轴在不同转速下进行测量。

本文首先详细阐述了国内外研究现状，分析对主轴回转精度测量的不同研究方法以及误差分离技术，综合比较了各种方法的优劣势并自行设计了一种便于携带、利于安装调试、精度高、非接触式、能够实现在线测量和监控的回转误差测量系统。在主轴不同截面上布置多个传感器进行非接触测量，讨论了分离回转误差和圆度误差的几种方法，并分析各自的适用范围和精度特性，根据本课题的研究内容选择合适的研究方案，并分析计算了轴线的直线度误差。以往的软件开发平台大多基于VC ，本课题采取了虚拟仪器技术LabVIEW，通过对数据分析以及数据处理的要求，对LabVIEW进行编程设计并调试。与此同时搭建主轴回转误差测量平台，在多个截面上搭建传感器，对硬件部分进行合理布置。通过对后期数据分离处理验证了测量系统的可行性。

关键词：精密主轴；非接触测量；虚拟仪器；回转精度；误差分离。

Abstract

With the continuous development of science and technology, the level of industry continues to improve, precision and ultra precision machining technology is very important in modern processing and production. The error of precision machining mainly comes from the error of spindle rotation, therefore, it is important to study the precision of spindle rotation. Now stage precision spindle error measurement device just for specific measurement of object development, have not been able to adapt to a variety of spindle rotation error dynamic non contact measurement device, this topic research is also based on the experimental platform of the spindle were measured under different rotational speed.

This paper first in detail elaborated the research status at home and abroad, analysis on the spindle of precision measurement of different research methods and error separation technique, a comprehensive comparison of the advantages and disadvantages of various methods designed the a kind of easy to carry, for installation and debugging, high precision, non-contact, can realize online measurement and monitoring of the rotation error measuring system. In different sections in the spindle arrangement of multiple sensor for non-contact measurement, discussed several methods of separation rotation error and roundness error, and analyzes their applicability and accuracy characteristics, according to the research contents of this topic selection of appropriate research protocols and analysis to calculate the straightness error. Most of the previous software development platform is based on VC , this topic has adopted the virtual instrument technology LabVIEW, through the data analysis and data processing requirements, LabVIEW programming and debugging. At the same time, the spindle rotation error measurement platform is set up, and the sensor is built on a plurality of cross sections, and the hardware part is arranged reasonably. The feasibility of the measurement system is verified by the data separation and processing.

Key words: precision spindle; non contact measurement; virtual instrument; rotation precision; error separation;

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1课题研究目的意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3误差分离技术 3

1.4本课题研究内容 3

第二章 主轴轴线误差测量理论及方法 4

2.1主轴回转误差的测量方法 4

2.1.1单点法 4

2.1.2两点法 5

2.1.3光学测量法 6

2.2主轴回转误差分离技术 7

2.2.1单截面两点法 7

2.2.1多点法 8

2.2.2多步法 10

2.3主轴回转误差评定方法 11

2.3.1最小外接圆法 12

2.3.2最小包络圆法 11

2.3.3最小二乘圆法 11

2.4主轴直线度误差评定方法 12

2.4.1两端点连线法 12

2.4.2最小二乘法 12

2.4.3最小区域法 12

第三章 测量系统硬件和软件设计 13

3.1测量系统总体方案设计 13

3.2硬件部分选型 14

3.3硬件设备搭建 17

3.4测量系统软件设计 18

第四章 主轴回转误差测量实验 22

4.1实验方案设计 23

4.2实验数据分析 23

4.3实验误差分析 25

第五章 总结与展望 26

5.1实验总结 26

5.2研究展望 26

第一章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

主轴的回转误差运动是影响机床加工精度的主要因素之一，由于存在各种误差因素，在精密机械加工中不可能达到理想要求，总会存在各种误差。实验结果表明，精密车削的圆度误差有30%-70%是由于主轴的回转误差引起的，切削的精度越高，所占比例越大^[1]。精密数控机床的加工精度直接影响产品的精度，而精密主轴系统的回转精度又是影响精密数控机床加工精度的主要原因之一，主轴回转误差是影响精密轴承回转误差的主要因素^[2-3]。正因如此，对于主轴回转精度误差的研究对于我国制造水平和高精尖制造设备的发展尤为重要。

现代高速超精密机床主轴回转精度已经进入到亚微米级别，所以传统测量方法已经无法满足要求，研究新的动态测试方法才能满足当前科技水平的要求^[4]。与此同时，主轴回转误差的测量不可避免会混入被测件本身的形状误差，对于高精度主轴回转精度的测量，混入的形状误差并不能忽略。因此主轴回转精度测量技术的研究焦点在于误差分离技术的研究。

除主轴回转精度外，主轴的直线度误差也是主轴的一项重要性能指标。主轴的直线度误差测量是在主轴上多个截面内以测量回转误差的方式进行每个截面的测量^[5]，以此来确定所测量截面的中心位置，然后用最小二乘法将这三个中心拟合成一条直线^[6]。此直线即体现了被测主轴的实际直线度误差。因为测量所得的每个截面中心的准确性直接影响到最后所拟合的轴线，故对单个截面上回转精度测量方面的的研究显得十分重要。

本课题的主要目的是在误差分离技术和测量原理的理论基础上设计并开发一种精确测量主轴轴系回转误差和进行误差分析的软件系统。通过与硬件设备的配合可以精确测量出主轴的回转误差，可以实时测量监测主轴的运转状态，不仅能通过检测到的数据库对机床误差进行补偿，也能够及时发现主轴运转时发生的问题。

1.2国内外研究现状

主轴回转误差测量方法就起源于捷克的VUOSO双向测量法和美国LRL单向测量法。双向测量法的基本思路是测量主轴截面上两个互相垂直方向的回转误差，主要适用于对刀具回转型主轴回转误差的测量；而单向测量法只测量主轴截面单一方向上的回转误差，一般选取被测机床误差敏感方向，主要适用于对工件回转型主轴回转误差的测试。1966年日本学者青木保雄和大圆成夫提出三点法圆度误差分离技术，该方法引起了国内外有关专家学者的极大兴趣^[7]。东京技术学院的Shoji Noguchi.Tadao Tsukada和Atsushi Sakamoto 采用了两个正交布置的传感器拾取数据，并提出矢量指示法来计算主轴径向运动误差，更加精确地对主轴的回转误差进行了实时测量，这种方法区别于传统圆图像法^[8]。韩国的Hyeong-Joon Ahn采用一种基于柱状电容传感器的测量装置，对主轴回转误差进行测量^[9]。日本庆应大学的Kengo Fujimaki和Kimiyuki Mitsui提出了一种基于临界角法全反射原理，使用象限光电二极管和标准球对主轴回转误差进行测量，这种方法主要应用于小尺寸和高转速主轴，测量精度可以达到纳米级^[10]。

国内在这方面的研究较晚，在早期很长一段时间中往往只能利用千分表进行静态打表式测量，测量的精度和效率都比较低。通过大量的研究和测量技术的研究，在近几年来对主轴回转误差检测技术方面有了长足的进步。苏州大学石世宏等人对机床主轴回转误差进行了建模，分析了回转误差精度与钢球偏心关系，对回转误差的测量提供了很大的依据^[11]。上海交通大学苏恒等人提出先测量圆度误差，之后测量回转误差的方法：先用频域法确定圆度误差的误差初值，然后用时域三点法测量数控机床主轴运动误差，最后用实验验证了该方法的正确性^[12]。上海交通大学教授洪迈生对回转误差与圆度误差的分离方法进行了大量的仿真实验，对测量的数据中的工件偏心，主轴偏心分量进行了理论研究，同时对回转误差精度方面提出了有效的方法^[13]。成都电子科技大学的李迅波提出一种利用电涡流位移传感器使用单向测量的测量方法，并开发了在线检测系统，由于采用了高精度的标准球系统使得测量精度较高^[14]。浙江大学文耀华等人发明了利用四个CCD传感器，通过测量安装于主轴端面的法兰对主轴的回转误差进行测量的方法。中国科学院光学精密机械与物理研究所的于萍等人研制了一种利用光栅为测量传感器的测量装置，经过实验验证测量精度小于0.2μm^[15]。

综上所述，主轴回转误差测量方法主要有：1.双向测量法,测量主轴截面上两个互相垂直方向的回转误差；2.单向测量法，测量主轴截面单一方向上的回转误差，一般选取被测机床误差敏感方向；3.三点法，此方法能进行误差分离；4.光学测量法，包括利用CCD、、隧道显微镜、光学探头光学干涉仪等多种方法，特点是精度高，但是原理较为复杂，对设备要求较高。