空气静压主轴回转误差测量技术研究

论文摘要

机床是制造的母机,主轴的回转误差是影响机床加工精度的重要因素。在机床设计、制造、使用和维修过程中,提高主轴的回转精度是一项关键的技术内容。因此,机床主轴的回转误差测量和测量精度提高成为重要的技术问题。空气静压主轴是高精度主轴的代表,研究其回转误差的高精度测量和动态测量技术具有普遍的现实意义。在国内外相关文献研究的基础上,提出了三种误差分量(径向回转误差、轴向回转误差、角度摆动误差)确定主轴轴线空间位置偏差的一般主轴误差模型,为主轴回转误差系统完整描述提供了有效的方法,为测量技术研究奠定了好的基础。针对目前国家标准推荐的检验棒方法在实际应用中精度低的问题,论文以提高主轴回转误差测量精度为主要目标,系统地研究了基于标准球的测量方法(简称“标准球法”)。以标准球作为测量基准,较好解决了现场在位测量所需的高精度测量基准问题和检验棒(柱面)安装找正通用性差的问题。为获得更高的主轴回转误差测量精度,研究应用误差分离技术,显著降低了标准球对主轴轴线安装偏心和标准球圆度误差的不利影响。针对误差分离算法的精度问题,通过仿真实验验证了滤一次谐波能显著降低安装偏心对测量精度的影响,并且仿真了反向法、三点法、多步法的分离精度,结果表明反向法的误差分离精度最高。本文提出的双测头法是建立在反向法基础之上的误差分离方法,既具有反向法算法简单的特点,又能降低反向安装传感器所带来的位置误差,适合主轴回转误差高精度测量的需要。基于以上理论研究建立了实验平台,设计了简单有效的调偏心机构,在Labwindows/CVI语言基础上开发了包括误差分离算法等功能的多种软件模块,完成了单测头法主轴径向、轴向回转误差高精度静态测量实验和双测头法主轴径向回转误差动态测量实验:静态测量主轴的径向回转误差小于0.1μm,并得到陶瓷球的圆度误差为0.06μm,重复精度0.01μm;动态测量的主轴径向回转误差为0.5μm,重复精度为0.12μm,钢球圆度误差为0.35μm,重复精度为0.05μm;轴向回转误差值小于0.2μm。静态测量结果与圆度仪测量结果比对,偏差在合理范围内,动态测量受测头性能的影响,有一定的偏差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的选题背景、研究意义和目标
• 1.2 主轴回转误差的概念
• 1.3 误差分离技术
• 1.4 主轴回转误差测量技术的国内外研究现状
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 测量方案设计及影响测量精度的因素分析
• 2.1 径向回转误差测量方案
• 2.1.1 单测头法测量静态回转误差
• 2.1.2 双测头法测量动态回转误差
• 2.2 轴向回转误差测量方案
• 2.2.1 测量方案设计
• 2.2.2 测量方案的精度分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 主轴回转误差的测量理论研究
• 3.1 径向回转误差的谐波分析
• 3.1.1 谐波分量的求解
• 3.1.2 谐波分量的实验值
• 3.2 消偏心的基本原理及仿真结果
• 3.2.1 滤一次谐波的方式消偏心
• 3.2.2 消偏心的仿真结果
• 3.3 常用的回转误差测量方法
• 3.3.1 打表测量法
• 3.3.2 单向测量法
• 3.3.3 双向测量法
• 3.3.4 三点测量法
• 3.3.5 单点双向测量法
• 3.4 常用的误差分离方法及其仿真结果
• 3.4.1 反向法
• 3.4.2 多点法
• 3.4.3 多步法
• 3.5 双测头法的仿真结果
• 3.6 残留偏心量对分离结果的影响
• 3.7 多种误差分离方法的比较
• 3.8 本章小结
• 第四章 空气静压主轴回转误差的测量实验
• 4.1 实验的硬件系统设计
• 4.1.1 测量系统构成
• 4.1.2 传感器的选择
• 4.1.3 数据采集卡
• 4.1.4 调心机构的设计
• 4.2 实验的软件系统开发
• 4.2.1 虚拟仪器及其开发语言（Labwindows/CVI）
• 4.2.2 程序总体结构
• 4.2.3 传感器设定模块
• 4.2.4 数采卡驱动模块
• 4.2.5 电机驱动模块
• 4.2.6 误差分离算法程序
• 4.3 偏心的调整
• 4.4 数据的采集与处理
• 4.4.1 信号采集的过程与转换
• 4.4.2 采集参数的设定
• 4.5 径向回转误差的测量结果及分析比较
• 4.5.1 气浮主轴回转误差的测量结果
• 4.5.2 圆度仪主轴的测量结果
• 4.5.3 高精度气浮转子静态回转误差的测量结果
• 4.5.4 径向回转误差测量结果的比较分析
• 4.6 轴向回转误差的测量结果
• 4.7 应用研究
• 4.8 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的学术活动