机床主轴回转精度测试实验平台设计.pdf

中国新技术新产品
2018NO.11（上）工业技术
机床主轴回转精度测试实验平台设计

韩德东
（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150006）

摘
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：要本文首先利用双向测量法测量原理，通过A/D转换器、由计算机控制对主轴回转误差进行数据采集、预
处理与转换。以快速傅里叶变换为基础对回转误差信号进行功率谱分析，并提出以快速傅里叶变换和逆变换的方
法对一次偏心分量进行消除。该系统运用于ZHS-1型多功能转台主轴回转精度的实际测量，实现了主轴回转误差
的在线测量和实时分析处理。
关键词：回转误差；一次谐波；最小二乘；最小区域；傅立叶变换
中图分类号：TH133
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文献标志码：A

０概述能转子实验台作为测试系统的回转主轴模型，其特点是结构
紧凑、体积小、运转方便。采用滑动轴承设计，可以非接触
近年来主轴回转误差的检测一直在广泛而深入地进行，
地测量主轴的径向振动和轴向位移。采用直流电机驱动，转
并且取得了很大的成果。在外国，国际机械生产技术研究协
速0r/min~12000r/min。
会经过4年的工作，于1976年正式发表了“关于回转轴性能
如图1所示，主轴上有径向传感器和轴向传感器。径向
要求和误差测定的统一”文件；在国内，全国高校机械工程
传感器有4个，分别位于前后轴承附近的主轴径向截面上，
测试技术研究会、中国机械工程学会机械加工学会自1981年
每个截面上两个传感器互成90°，这正符合测试系统的需要，
以来共召开了五次全国高精度回转轴系测试基本理论和应
因此可以将其直接应用到测试系统中，能够满足高速主轴回
用学术讨论，所讨论的问题在深度、广度上都达到了相当高
转精度测试的要求。
的水平。轴系回转精度测试方法包括模拟量测试法和数字量
测试法两种。模拟量测试方法简便、直观，但有些测试方法
精度不高。随着微机的普及，轴系回转精度的测试己由模拟
量测试法向数字量测试法发展，此方法具有较高的数据处理
精度，适用于对主轴回转精度的测试。虽然国内外已经对主
轴回转误差检测的方法进行了研究，但专门用于检测该精度
的试验装置还不够成熟，因此本文在前人研究的基础上，重
点对机床主轴回转精度测试试验平台进行设计。

１回转精度测量方法研究图1主轴回转精度测试实验平台
目前国际范围内适用于高速轴承的传感器主要有电涡流
１．１回转精度数学描述
式传感器、电容式的传感器、光电式传感器。针对本测试系统
机床回转主轴的误差由轴向和径向两个方向组成。轴向误的工作原理和结构特点，采用电涡流传感器进行主轴回转误
差由自由度引起，此误差容易消除。径向误差为4个自由度基础差位移量的测试，它不仅灵敏度高、线性范围宽，而且工作
上的误差，但可对其进行简化。当主轴运动时，主轴横截面内稳定可靠。传感器的位置对整个测试系统有较大的影响，通
任意一点的运动随时间的变化可以通过二维向量来表示。该点常其位置应尽量接近执行器件。一般来说径向传感器安置在
的回转运动可表示成复函数N（t），且可由圆周运动Nr（t）与接近轴承的位置。本系统采用双向法进行误差测量，为了得
径向误差运动Ne（t）叠加来表示，且Ne（t）与Nr（t）正交。到两个方向上的位移误差，分别在两端的径向截面上安装水
１．２回转运动频率分析平位移传感器和垂直位移传感器，两者互为90°。主轴回转精
度测试实验平台的数据采集选择研华USB数据采集卡，该采
在某一恒定转速下，转轴质量离心偏差形成的周期性轨
集卡的采样速率为150kS/s，同时具有先入先出缓存，可大大
迹其转速与频率相同。轴上一点的运动N（t）可具有周期性，
提高采样频率。该采集卡的分辨率为12位，采用8254定时
定义主轴的角速度为ω，N（t）可展开成式（1）形式：
计数器，最高转换率达到了200kHz，因此具有较高的采集精
（n=0,1,2……）度和采集速率，能够对高速主轴回转误差测试进行采样。
（1）
式中：n—谐波次数；２．２软件设计
由式（1）可以推导出误差运动轨迹的公式。对测试系统程序的编制，采用了MicrosoftVisualBasic
２回转精度测试实验平台设计6.0，它是基于Windows系统环境下的面向对象的可视集成开
发系统，具有高效、简单易用及功能强大的特点，同时也有
２．１硬件设计着良好的人机交互界面。虽然VB没有对输入输出端口进行
访问的功能，但可以调用利用其他语言开发的动态链接库函
检测平台中的转台采用北京测振仪器厂ZHS-1型多功
数。通过调用动态链接库函数即可实现程序中的各个功能，

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同时可以简化程序代码，提高了软件的精确性与实用性。本察此时的误差曲线。点击“停止”按钮，进入回转误差评定
系统即