機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)t i j i ：1 ：學(xué)位論文 摘要 機(jī)械加工中，工件相對于刀具的各種成形運(yùn)動(dòng)一般是由機(jī)床來完成，零件的 加工精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。從獲得零件精度所需的成形運(yùn)動(dòng)的角 度來看，在加工時(shí)，影響工件加工精度的主要因素是：機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度、直 線運(yùn)動(dòng)精度等幾何精度。 從主運(yùn)動(dòng)的角度來看，機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)是影響機(jī)床d h - r - 精度的重要 因素之一，它直接影響被加工零件的幾何形狀精度和表面粗糙度。通過測量回轉(zhuǎn) 軸誤差運(yùn)動(dòng)可以評價(jià)機(jī)床主軸的工作精度；預(yù)測機(jī)床在正常加工條件下所能達(dá)到 的最小形狀誤差和粗糙度；可以分析、判斷產(chǎn)生加工誤差的原因。因此，如何測 量機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度，提高現(xiàn)有機(jī)床的加工精度越來越受到人們的重視。 從進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的角度來看，機(jī)床直動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)將直接影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件 的運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)而影響加工工件的精度。通過測量直線運(yùn)動(dòng)誤差，可以較好的分 析、判斷產(chǎn)生加工誤差的原因，對此誤差的測量具有實(shí)際意義。 本論文在充分調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差和機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的 直線運(yùn)動(dòng)誤差測量原理和方法的不同，研制完成了兩套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為一套動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，主要包括主軸回轉(zhuǎn)誤差的 動(dòng)態(tài)采集、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件界面等；同時(shí)，通過硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和誤差 的頻譜分析，初步得到了影響回轉(zhuǎn)精度的主要因素。 直線運(yùn)動(dòng)誤差測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在以光電自準(zhǔn)直儀和直線度測量方法為基礎(chǔ)， 通過對影響直線運(yùn)動(dòng)方向精度的因素分析，給出了一種適用的直線運(yùn)動(dòng)方向精度 測量的原理方法；并利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集、處理 的一體化。 本論文的工作，通過對兩個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制和實(shí)驗(yàn)分析，為計(jì)算機(jī)輔助測試 在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：機(jī)床幾何精度、數(shù)據(jù)采集、主軸回轉(zhuǎn)誤差、直線運(yùn)動(dòng)誤差 叭睞八阿惜度測量系統(tǒng)的制中困利學(xué)技術(shù)人學(xué)壩卜學(xué)位論義 a b s t r a c t t i l ei l l o v n l e n to ft a k i l l gs h a p eb e t w e e nw o i k p i e c ea n dc u t l e l i sc o m p l e t e db 3 ，l a t h ei n m a c h i n i n gp r o c e s s s ot h ep l e c i s i o no fm a c h i n i n gl i e0 | 3t h ep 1 e c i s i o no fl a t h e a tt h ep o i n to ft h e f i g m a t i o nm o v e n q e n t t h ep l e c i s i o no f1 u n n i n gp l i n c i p a la x i s 、a n dt h ep 1 1 e c i s i o no fg u i d er a i l sa l e t h em o s ti m p o i 。t a n tr e a s o n st h a te f f e c tt h ep i e c i s i o no fw o i k p i e c e s a tt h ep o i n to ft h em a i ni n o v e n 3 e n t t h ep l e c i s i o no f r u n n i n gp l i n c i p a la x i si so n eo ft h e m o s ti m p o l r a n tr e a s o n st h a te f f e c tt h e p l e c i s i o n o f m a c h i n i n gw h i c he f f e c t t h es h a p eo f w o i k p i e c e sa n dt h e1 o u g h n e s so ft h es i l l f a c eo fw o i k p i e c e s b yi n e a s u l i n gt h ep r e c i s i o no fr u n n i n g p i i n c i p a la x i sw ec a np o i n to u tt h ep r e c i s i o no fl a t h e ，f o i e s e et h ei d e a l l e v e lo ft h ep l e c i s i o no ft h e m a c h i n i n g ，a n df i n do u tt h ef a c t 0 1 st h a ta r o u s et h ee l l 0 1 so fw o r k p i e c e s s oh o wt om e a s u r et h e p r e c i s i o no f r u n n i n gp t i n c i p a la x i si s l a i ds t o r eb ym a n yp e i s o n st oi m p r o v et h ep r e c i s i o no f a t h e o nt h eo t h e l s i d e ，a tt h ep o i n to ft h ea d v a n c e m e n ta n dr e t r e a to fm o v e m e n t ，t h ep r e c i s i o no f g u i d er a i l sc a ne f f e c tt h ep r e c i s i o no ft h em o v m e n to ft h em o v i n gp a r to fl a t h ea n de f f e c tt h e p e l e c i s i o no fw 0 1 k p i e c ei n d i i e c t l y ，s oi tm a k es e n s et oi n e a s u l et h ep i e c i s i o no f g u i d er a t i s b a s e do ns u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o n sa n da n a l y s i s ，t w os e t so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m sh a v eb e e n a c c o m p l i s h e da c c o l d i n gt ot h ed i f f ej e n c eo fm e a s u r i n gp r i n c i p l e sa n dm e t h o d sb e t w e e nr o t a t i o n e l t o ro f p r i n c i p a la x i sa n ds t l a i g h t l i n em o t i o na c c u r a c yo fr u n n i n gp a r t so f m a c h i n et o o e x p e r i m e n t a ls y s t e mr e f e r r i n gt or o t a t i o ne l l o ro fm a c h i n et o o lm a i na r b o r si sas e to f d y n a m i cn l e a s l i r e n l e n ts y s t e m ，w h i c hm a i n l yi n c h l d e sd y n a m i cc o l l e c t i o n so fr o t a t i o ne r r o r , d a t a p i o c e s s i n g ，s o f t w m l eo fe x p e l i m e n t a ls y s t e m ，a n d s oo n m a j o rf a c t or s d e t e r m i n i n gr o t a t i o n a c c u l a c ya l eo b t a i n e dp l e l i m i n m yb yd e s i g no f h a l d w a i es y s t e ma n ds p e c t r u ma n a l y s i so f e r r o r m e a s u r e m e n t s y s t e mo fs t r a i g h t l i n em o t i o na c c l l l a c y i sb a s e do n p h o t o e l e c t r i c a u t o c o l l i m a t 0 1 a n di n e a s l l l e l n e n tm e t h o d so f d e g t e e o fs t i l a i g h t l i n e t h r o u g ha n a l y s i so f i n f l u e n c i n gf a c t o l so ds t i a i g h t l i n em o t i o na c e t l l a c 3 7 j ak i n do fp l i n c i p l ea n dm e t h o ds u i t a b l et o m e a s u l e l n e n to fs t r a i g h t li n em o t i o na c c u l a c yi s a c q u i i e d t o g e t h e rw i t ha c h i e v e m e n to fc o n t l o lo f s t i a i g h t l i n em o t i o n ，d a t ac o ll e c t i o na n dp r o c e s s i n gs i m u l t a n e o u s l y i nt i l t s p a p m ，t h em a i nw o r ki st h a t t h ed e v e l o p m e n to ft w oe x p e r i m e n t a l s y s t e m sa n d e x p e l i n l e n t a la n a l 3 7 s i sb e n e f i tt h ea p l ) l i c a t i o n so f c a ti ne n g i n e e l i n gp l a c t i c e k e y w o l d s ：t h eg e o i n e t l i cp r e c i s i o no fm a c h i n et o o l d a t ac o l l e c t i o n t h ep l e c i s i o no fr u n n i n gp r i n c i p a la x i s s t l a i g h t l i n em o t i o na c c u r a c y 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩：卜學(xué)位論文 第一章綜述 1 1 機(jī)床幾何精度概述 1 1 1 機(jī)床幾何精度的基本概念 機(jī)床幾何精度是指機(jī)床各部件之間相互位置精度和主要零件的形狀精度、位 置精度。機(jī)械加工中，工件相對于刀具的各種成形運(yùn)動(dòng)一般是由機(jī)床來完成，零 件的加工精度在很大程度上取決于機(jī)床的精度。機(jī)床的幾何精度對加工零件的幾 何精度有直接影響。對于通用機(jī)床，國家已制定了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了檢驗(yàn)項(xiàng)目、 方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)床的幾何精度主要包括回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度、直線運(yùn)動(dòng)精度和機(jī)床 傳動(dòng)鏈精度等幾個(gè)方面。 機(jī)床按其精度等級可分為普通級和精密級。檢驗(yàn)項(xiàng)目一般在3 0 項(xiàng)以上，其 細(xì)目及檢驗(yàn)條件、方法在標(biāo)準(zhǔn)中均有明確規(guī)定。一臺(tái)機(jī)床全項(xiàng)驗(yàn)收工作是比較復(fù) 雜的一般需要使用如激光干涉儀、三座標(biāo)測量機(jī)等大型高精度儀器，對機(jī)床的機(jī) 械、電器、液壓、氣動(dòng)、微機(jī)控制等各部分及整機(jī)運(yùn)行性能檢測實(shí)驗(yàn)，最后得出 對該機(jī)的綜合技術(shù)評價(jià)： ( 1 ) 幾何精度：包括綜合反映主軸和工作臺(tái)的相關(guān)和相互位置精度、主軸徑 跳、端面跳動(dòng)( 竄動(dòng)) 、工作臺(tái)平面度、回轉(zhuǎn)精度等。 ( 2 ) 機(jī)床定位、重復(fù)定位精度：即工作臺(tái)或主軸運(yùn)動(dòng)位置，回轉(zhuǎn)角度的設(shè)定 值與實(shí)際值( 實(shí)測值) 之差或多次測量差值的均值，它是反映機(jī)床的控制、差補(bǔ)精 度和機(jī)床自身設(shè)定的綜合指標(biāo)。 ( 3 ) 工作精度：是指對代表性工件精加工尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，尺寸精度是對機(jī)床 幾何精度、定位精度在一定切削和加工條件下的綜合考核。 1 1 2 機(jī)床幾何精度測量的意義 機(jī)床是對金屬或其他材料的坯料或工件進(jìn)行加工，使之獲得所要求的幾何形 狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的機(jī)器。機(jī)械產(chǎn)品的零件通常都是用機(jī)床加工出來的。 機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，也是能制造機(jī)床本身的機(jī)器，這是機(jī)床區(qū)別于其他機(jī)器 的主要特點(diǎn)，故機(jī)床又稱為工作母機(jī)或工具機(jī)。 由于精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展和零件加工精度的不斷提高，人們對機(jī)床的加 工精度提出了更高的要求。隨著對機(jī)床幾何精度研究的日益的深入與廣泛，人們 對機(jī)床幾何精度誤差有了更深和更全面的認(rèn)識(shí)。提高機(jī)床加工精度的前提是提高 機(jī)床的幾何精度。因此，機(jī)床幾何精度的測量就具有極其重要的實(shí)際意義。 機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)是影響機(jī)床加工精度的重要因素之一，它直接影響 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩：i j 學(xué)位論文 被加工零件的幾何形狀精度和表面粗糙度。通過測量回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)可以評價(jià)機(jī) 床主軸的工作精度；預(yù)測機(jī)床在正常加工條件下所能達(dá)到的最小形狀誤差和粗糙 度；可以分析、判斷產(chǎn)生加工誤差的原因。因此，機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度的測量， 對提高現(xiàn)有機(jī)床的加工精度具有及其重要的意義，將越來越受到人們的高度重 視。機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)誤差直接影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)而影響 加工工件的精度，對此誤差的測量具有實(shí)際意義。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)處理測量中的采樣及數(shù)據(jù) 處理問題快捷而準(zhǔn)確，計(jì)算機(jī)輔助機(jī)床幾何精度測量的研究也越來越受到人們的 高度重視。 1 1 3 機(jī)床幾何精度測量的研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)外對機(jī)床幾何精度( 主軸回轉(zhuǎn)精度、直線運(yùn)動(dòng)精度) 測量的方法 主要有： ( 1 ) 主軸回轉(zhuǎn)精度的靜態(tài)測量法、動(dòng)態(tài)測量法 靜態(tài)測量法主要采用表測法，這種方法比較簡單可行，但其缺點(diǎn)明顯；動(dòng)態(tài) 測量法又根據(jù)誤差敏感方向的不同，分為單向測量法和雙向測量法。在主軸回轉(zhuǎn) 精度測量方面，現(xiàn)階段常用來測量的方法在主軸端粘結(jié)一個(gè)精密圓球，在測量球 的周圍相互垂直地安裝兩個(gè)位移傳感器，傳感器和測量球間保持一定的間隙；當(dāng) 主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸心線漂移引起測量間隙產(chǎn)生微小的變化，傳感器就發(fā)生信號 來進(jìn)行測量。但是，在主軸回轉(zhuǎn)精度的測量方面，目前都沒有解決好均勻采樣的 問題，即沒有排除機(jī)床轉(zhuǎn)速不均勻?qū)y量的影響。 ( 2 ) 直線運(yùn)動(dòng)精度的雙頻激光干涉法、電感法、激光基準(zhǔn)法 在直線運(yùn)動(dòng)精度的測量方面，現(xiàn)階段主要理想的測量方法是利用雙頻激光干 涉儀來進(jìn)行測量。而利用雙頻激光干涉儀來進(jìn)行直動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)精度的測量 時(shí)，1 7 1 前仍然無法分別測量直線運(yùn)動(dòng)誤差的五個(gè)方向誤差大小，它只能測量五個(gè) 方向誤差的綜合效果，且這種實(shí)驗(yàn)儀器具有價(jià)格昂貴的特點(diǎn)。電感法測量直線運(yùn) 動(dòng)誤差時(shí)，受距離的影響較大，對較長距離測量誤差較大。 1 2 計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)的概況 1 2 1 概述 計(jì)算機(jī)輔助測試口1 ( c o m p u t e r a i d e dt e s t ) ，簡稱c a t ，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與原 有的測試技術(shù)相互滲透、融合而產(chǎn)生的一門新興技術(shù)學(xué)科，是將溫度、壓力、流 量、位移等模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或 打印的過程。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)。 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)_ f o i 3 1 ：學(xué)位論文 計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計(jì)算 機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不向的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì) 算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印， 以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)用來控制某些物理量。 由于計(jì)算機(jī)對信號采集和處理具有速度快、信息量大、儲(chǔ)存方便等傳統(tǒng)測試 方法不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)迅速地得到發(fā)展與應(yīng)用。c a t 可以解 決傳統(tǒng)測試不能解決的問題。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)只能對靜態(tài)參量或極緩慢變化的參量 進(jìn)行測量，對于動(dòng)態(tài)參量，特別是快速過程只能借助圖形記錄分析。而在計(jì)算機(jī) 控制下，通過高速數(shù)據(jù)采集對動(dòng)態(tài)參量可以很好的進(jìn)行測試和分析。c a t 的突 出優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在其軟件功能上：用軟件資源提高了測試的準(zhǔn)確性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性， 而且投資小、收效大、性價(jià)比好；在不改變硬件的情況下，改變軟件可使測試系 統(tǒng)用于不同的對象，使測試系統(tǒng)具有通用性，適合多品種、小批量的生產(chǎn)。由于 c a t 的多種功能和突出優(yōu)勢，在生產(chǎn)和科研中的應(yīng)用日益廣泛。 在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記 錄，還可為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用計(jì)算 機(jī)輔助測試系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有用工具，也是 獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一?？傊?，不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)輔助測試 與處理越及時(shí)，工作效率越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越大。 盡管計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)有不同類型，但就其共性來說，一般包括硬件及軟 件兩大部分。軟件部分除了具有必要的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件外，還應(yīng)主要包括信 號的采集、處理與分析等功能模塊軟件。硬件部分主要包括有： ( 1 ) 信號調(diào)理多路轉(zhuǎn)換器、可調(diào)增益放大器、抗混淆濾波器； ( 2 ) 采樣保持采樣保持器( s h ) ； ( 3 ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換a d 轉(zhuǎn)換器( a d c ) ，v f 變換器； ( 4 ) 其它：定時(shí)計(jì)數(shù)器、總線接口電路等。 圖1 2 1計(jì)算機(jī)輔助測試典型組成 口 一田一 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩二l j 學(xué)位論義 除了上述構(gòu)成微處理器或p c 機(jī)的前向通道的各單元外，有時(shí)計(jì)算機(jī)輔助測 試系統(tǒng)還設(shè)置有數(shù)據(jù)輸出的后向通道，其主要器件是數(shù)模轉(zhuǎn)換器( d a ) ，它的 功能是將p c 輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。這種測試系統(tǒng)中含有a d 、d a 數(shù)據(jù)采集卡，可直接插入i b m p ca t 總線兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)任一總線擴(kuò)展槽中， 構(gòu)成各種智能化、虛擬集成化測量儀器系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)的典型組成 如圖1 2 1 所示。 1 2 2 計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)的發(fā)展 傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)是由傳感器或某些儀表獲得信號，再由專門的測試儀器對信 號進(jìn)行分析處理而獲得有用和有限的信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。測試系統(tǒng)中 也越來越多地融人了計(jì)算機(jī)技術(shù)，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為中心的自動(dòng)測試系統(tǒng)。這種 系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)對信號的檢測，又能對所獲得信號進(jìn)行分析處理以求得有用信息。 因而稱其為計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)。 計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在測試系統(tǒng)硬件的發(fā)展以及專門用于 開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)或所謂“虛擬儀器”的軟件環(huán)境的發(fā)展： 1 2 2 1 硬件的發(fā)展 計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)硬件經(jīng)歷了基本型、閉環(huán)控制型與標(biāo)準(zhǔn)接口型三個(gè)發(fā)展 階段。 ( a ) 基本型是計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)的基本形式。它能完成對多點(diǎn)、多種隨時(shí) 問變化參量的快速、實(shí)時(shí)測量，并能排除噪聲干擾，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信號分析， 由測得的信號求出與研究對象有關(guān)的信息或給出其狀態(tài)的判別。 ( b ) 閉環(huán)控制型是指應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中的測試系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝過程的 自動(dòng)控制是人們長期探索的生產(chǎn)方式，但是，只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代測試技術(shù) 突飛猛進(jìn)的今天，才能達(dá)到高度的控制水平。通過對關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)在線檢測并控 制這些參數(shù)按預(yù)定的規(guī)律變化，來達(dá)到維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行和達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目 的。 ( c ) 標(biāo)準(zhǔn)通用接口型測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式可分為專用接口型和標(biāo)準(zhǔn)通用接 口型。專用接口型是將一些具有一定功能的模塊相互連接而成。由于各模塊千差 萬別，織成系統(tǒng)時(shí)相互間接口十分麻煩，而且模塊是系統(tǒng)不可分割的一部分，不 能單獨(dú)使用，缺乏靈活性近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器控制技術(shù)的發(fā)展。特別 是儀器和計(jì)算機(jī)及其他控制設(shè)備之間連接的規(guī)范化，形成了標(biāo)準(zhǔn)通用接口，標(biāo)準(zhǔn) 通用接1 2 1 型測試系統(tǒng)也是由模塊( 如臺(tái)式儀器或插件板) 組合而成，所有模塊的對 外接口都按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；組成系統(tǒng)時(shí)，若模塊是臺(tái)式儀器，用標(biāo)準(zhǔn)的無源電纜 將各模塊接插連接起來就構(gòu)成系統(tǒng)。若模塊為插件板，只要將各插件板插入標(biāo)準(zhǔn) ； ! j i 床幾何精度測量系統(tǒng)的研制中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩：i j 學(xué)位論文 機(jī)箱即可。 1 2 2 2 軟件的發(fā)展 一般說來，將數(shù)據(jù)采集卡插入計(jì)算機(jī)卡槽中，利用軟件在屏幕上生成某種儀 器的虛擬面板，在軟件導(dǎo)引下進(jìn)行采集、運(yùn)算、分析和處理，實(shí)現(xiàn)儀器功能并完 成測試的全過程，這就是虛擬儀器，即由數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)組成儀器通用硬件 平臺(tái)，在此平臺(tái)基礎(chǔ)上調(diào)用測試軟件完成某種功能的測試仟?jiǎng)?wù)，便構(gòu)成該種功能 的測量儀器，成為具有虛擬面板的虛擬儀器。在同一平臺(tái)上，調(diào)用不向的測試軟 件就可構(gòu)成不同功能的虛擬儀器。故可方便地將多種測試功能集于一體，實(shí)現(xiàn)多 功能儀器。如對采集的數(shù)據(jù)通過測試軟件進(jìn)行標(biāo)定和數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示就構(gòu)成一臺(tái)數(shù) 字存儲(chǔ)示波器；若對采集的數(shù)據(jù)利用軟件進(jìn)一j t f f t 變換。則構(gòu)成一臺(tái)頻譜分析儀。 軟件技術(shù)對于現(xiàn)代測試系統(tǒng)的重要性，表明計(jì)算機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代測試系統(tǒng)中的 重要地位。但不能認(rèn)為，掌握了計(jì)算機(jī)技術(shù)就等于掌握了測試技術(shù)。這是因?yàn)椋?其一，計(jì)算機(jī)軟件永遠(yuǎn)不能完全取代測試系統(tǒng)的硬件；其二，不懂得測試系統(tǒng)的 基本原理不可能正確地組建測試系統(tǒng)，不可能正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試，一個(gè)專 門的程序設(shè)計(jì)者，可以熟練而巧妙地編制科學(xué)計(jì)算的程序，但若不懂測試技術(shù)則 根本無法編制測試程序。因此，現(xiàn)代測試技術(shù)既要求測試人員熟練掌握計(jì)算機(jī)應(yīng) 用技術(shù)，更要牢固掌握測試技術(shù)的基本理論和方法。 1 3 幾何精度測量的數(shù)據(jù)處理技術(shù) 1 3 1 數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)字設(shè)備正越來越多地取代模擬設(shè)備，在生 產(chǎn)過程控制和科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)輔助測控技術(shù)發(fā)揮著越來越重要 的作用。然而，外部世界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理量形式出現(xiàn)的。要將 這些信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，就必須先將這些連續(xù)的物理量離散化，并進(jìn)行量 化編碼，從而變成數(shù)字量，這個(gè)過程就是數(shù)據(jù)采集。它是計(jì)算機(jī)在監(jiān)測、管理和 控制一個(gè)系統(tǒng)的過程中，取得原始數(shù)據(jù)的主要手段。 數(shù)據(jù)采集就是將被測對象( 外部世界、現(xiàn)場) 的各種參量( 可以是物理量，也 可以是化學(xué)量、生物體特征量等) 通過各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào) 理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄 的過程?？刂破饕话憔捎?jì)算機(jī)承擔(dān)，所以說計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它 對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。用于數(shù)據(jù)采集及處理的成 套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。圖1 3 1 就是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集以及處理系 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩二卜學(xué)位論文 統(tǒng)。 fv 1 u r 、f vu 、uuu采樣量化 1 1 0 1 數(shù)字信號 1 1 0 1 模擬重建 l l 模擬輸入 處理 模擬輸出 數(shù)字輸入 數(shù)字輸出 圖1 3 1一個(gè)典型的數(shù)據(jù)米集及處理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途 徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建 設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù) 據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景。 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)追求的最主要目標(biāo)有三個(gè)：一是精度，二是速度，三是 實(shí)時(shí)性。對任何量的測試都要有一定的精確度要求，否則將失去測試的意義；提 高數(shù)據(jù)采集的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要的是擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適 用范圍，便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測試；隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要 求也越來越高。例如在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，必然要求對測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。又如在 新型飛機(jī)試飛中，如能實(shí)現(xiàn)對某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與監(jiān)測，就能在這些數(shù)據(jù) 發(fā)生異常變化時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相關(guān)措施，以避免機(jī)毀人亡的重大事故發(fā)生?？?見實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)意義是很大的。 現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有如下主要特點(diǎn)： ( 1 ) 現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都由計(jì)算機(jī)控制，使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等 大為提高節(jié)省了硬件投資。 ( 2 ) 軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用越來越大，這增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。 ( 3 ) 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合得日益緊密，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。 ( 4 ) 數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性，實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實(shí)際需要， 對于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應(yīng)用環(huán)境。 ( 5 ) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來 越小，單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也日益廣泛應(yīng)用。 ( 6 ) 總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，總線技術(shù)它對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它與傳感器技術(shù)、信號處 理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成了現(xiàn)代檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來，一個(gè)重要的發(fā)展 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩二 學(xué)位論文 趨勢是通過信號的測量( 數(shù)據(jù)采集) 、處理、控制與管理實(shí)現(xiàn)測、處、控、管一體 化。一些新技術(shù)，如光纖技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、人工智能等也在數(shù)據(jù)采集與處理中得 到了應(yīng)用。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，如通過速率、分辨率、精度、輸入電壓范圍以及抗干擾能力 等方面，都提出了越來越高的要求。尤其是通過速率，這是數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)計(jì) 者與使用者都十分關(guān)心的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。 1 3 2a d 轉(zhuǎn)換技術(shù) 在過程控制及各種智能儀器儀表中多由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，計(jì) 算機(jī)所加工的信息總是數(shù)字量，而被檢測的對象往往是一些連續(xù)變化的模擬量。 模擬量是表示各種實(shí)際模擬現(xiàn)象的物理量。這些量可以是電量，也可以是傳感器 的非電量。因此必須將這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這 個(gè)過程就叫模數(shù)轉(zhuǎn)換( a d 轉(zhuǎn)換) 。由于a d 轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量，而模擬信號是一種幅度以及時(shí)間上都是連續(xù)的信號，數(shù)字信號是一種幅 度以及時(shí)間上都是離散的信號，因此要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號就需要完成這 兩個(gè)方面的轉(zhuǎn)換。首先是將時(shí)間進(jìn)行離散化處理，完成這一步是通過取樣來實(shí)現(xiàn) 的，另一步就是通過量化來實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上可以分為：取樣、保持、量化、編碼四 個(gè)過程。 取樣是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散變化的信號。具體來 說，就是將隨時(shí)間連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成一串脈沖，并且其幅度取決于輸入的模 擬量( 如圖1 3 2 所示) ，如果取樣頻率較低，其輸出的波形將不能嚴(yán)格保留信 號的信息，如果取樣頻率較高，其轉(zhuǎn)換的輸出域輸入波形形狀能做到較好的一致。 困 i lp f ，芒， 圖1 3 2 采樣原理 村l 床幾何精度測量系統(tǒng)的研制中國科學(xué)技術(shù)人學(xué)頌。i 。j 學(xué)位論文 保持就是在a d 轉(zhuǎn)換期間，應(yīng)保持a d 轉(zhuǎn)換器的輸入信號值不變，以免a d 轉(zhuǎn)換的輸出發(fā)生差錯(cuò)。這種保持a d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換期間輸入信號不變的電路，稱為 保持電路。在a d 轉(zhuǎn)換過程中，g h 電路對保證a d 轉(zhuǎn)換的精確度有著重要的作 用。 取樣一量化后的信號仍然是一個(gè)時(shí)間上離散的模擬量，它的取樣信號取值是 任意的，而數(shù)字信號的取值是有限的或離散的，如用四位二進(jìn)制來表示，只有 0 0 0 0 - 111 1 共1 6 種狀態(tài)，因此要實(shí)現(xiàn)幅度數(shù)字化就是利用具體的數(shù)字量來近似 表示對應(yīng)的模擬值，這個(gè)過程就是量化。量化的結(jié)果為了不同目的其輸出的格式 不同，即輸出編碼的形式不同，這就需要進(jìn)一步編碼，因此編碼就是將量化的結(jié) 果轉(zhuǎn)換成需要的編碼形式。 1 4 本論文的主要研究內(nèi)容及意義 本論文的主要內(nèi)容是研制出一套計(jì)算機(jī)輔助機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng) 能夠測出機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度以及機(jī)床直行部件的直線運(yùn)動(dòng)精度。同時(shí)，該研究 內(nèi)容也是學(xué)?！? 8 5 教學(xué)基金”支持的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 本系統(tǒng)從教學(xué)實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，研究了機(jī)床幾何精度的測量方法，分析了測 量原理并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況提出了自己的測量方法；系統(tǒng)的硬件部分主要 包括各種儀器的選擇、搭接和調(diào)試。系統(tǒng)的軟件部分主要包括利用v i s u mb a s i c 語言完成了實(shí)驗(yàn)面板的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集及保存，并進(jìn)行處理，輸出結(jié)果 和圖形。 測量是加工中的重要組成部分，加工的精度要依靠測量精度來保證。高精度 測量只要滿足1 3 原則即可。由于技術(shù)發(fā)展特別是尖端技術(shù)發(fā)展，要求加工精度 不斷提高，這就需要更高的測量精度，使測量技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。 由于實(shí)際使用的需要，不僅對機(jī)械零件的尺寸精度有一定要求，而且對零件 的形狀精度也有一定的要求。機(jī)床的發(fā)展和完善為解決復(fù)雜零件的形狀加工創(chuàng)造 了良好的條件，相應(yīng)地要求對機(jī)床的幾何精度檢測提供技術(shù)保證。 機(jī)床各主要部件的尺寸、形狀、相互位置和相對運(yùn)動(dòng)的精確程度，是衡量機(jī) 床質(zhì)量的基本指標(biāo)，機(jī)床的幾何精度對加工零件的幾何精度有直接影響，所以， 在機(jī)床生產(chǎn)中，要逐臺(tái)進(jìn)行整機(jī)的幾何精度檢驗(yàn)，以確保機(jī)床產(chǎn)品的質(zhì)量。也只 有首先檢驗(yàn)了機(jī)床的幾何精度并合格以后，才能進(jìn)行機(jī)床的其他性能檢驗(yàn)，所以 機(jī)床幾何精度檢驗(yàn)既是保證加工零件精度的重要措施，又是機(jī)床性能實(shí)驗(yàn)的基 礎(chǔ)，更是機(jī)床工業(yè)質(zhì)量管理中的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。 機(jī)床幾阿精度測量系統(tǒng)的研制 中國科學(xué)技術(shù)火學(xué)頌一卜學(xué)位論文 第二章主軸回轉(zhuǎn)精度測量原理及分析 2 1 主軸回轉(zhuǎn)精度的概述 主軸部件是機(jī)床重要組成部分之一。主軸部件的工作性能，對工件的加工質(zhì) 量和機(jī)床生產(chǎn)率均有重要影響。機(jī)床主軸基本特性包括機(jī)床的主軸剛度、主軸回 轉(zhuǎn)精度、熱穩(wěn)定性以及振動(dòng)等。對于機(jī)床而言，主軸回轉(zhuǎn)精度是影響機(jī)床性能的 重要特征之一。 2 1 1 主軸回轉(zhuǎn)精度基本概念及分析 機(jī)床主軸是工件或刀具的位置基準(zhǔn)和運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn) 1 。它的誤差直接影響著工件 的加工誤差。對于主軸的要求，集中到一點(diǎn)，就是在運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下它能保持軸心 線的位置穩(wěn)定不變，也就是所謂的回轉(zhuǎn)精度。主軸回轉(zhuǎn)精度主要取決于主軸部件 的制造精度，在主軸部件中，由于存在著主軸軸頸的圓度誤差，軸頸的同軸度誤 差，軸承的誤差，主軸的支承孔之間的同軸度誤差以及支承端面對軸線的垂直度 誤差等原因，主軸在回轉(zhuǎn)的每一瞬時(shí)其軸線的空間位置都是變動(dòng)的，即存在著回 轉(zhuǎn)誤差。主軸回轉(zhuǎn)誤差是由于主軸以及主軸的支承制造和裝配中的誤差引起的。 根據(jù)國際生產(chǎn)工程協(xié)會(huì)( c i r p ) 的統(tǒng)一文件中的規(guī)定，回轉(zhuǎn)軸線的定義為： 即是“回轉(zhuǎn)物體繞之而轉(zhuǎn)動(dòng)的線段，此線段和回轉(zhuǎn)體固接并一起相對于另一條叫 做軸線平均線的線段作軸向的，徑向的和傾角的運(yùn)動(dòng)。軸線平均線的線段是固定 在不回轉(zhuǎn)的物體上，并處于回轉(zhuǎn)軸線的平均位置上的線段”。在理解主軸回轉(zhuǎn)精 度的概念之前，我們需要明確幾個(gè)相關(guān)的基本概念： 理想回轉(zhuǎn)中心：主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，其任一截面上只有一點(diǎn)的速度為零的點(diǎn)。 理想回轉(zhuǎn)軸線：理想回轉(zhuǎn)中心的連線。 瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心：主軸在實(shí)際回轉(zhuǎn)中，存在著的一個(gè)其位置時(shí)刻變化的回轉(zhuǎn)中 心。 瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線：各截面瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心的連線。 平均回轉(zhuǎn)軸線：主軸在一轉(zhuǎn)或數(shù)轉(zhuǎn)內(nèi)諸多瞬間回轉(zhuǎn)軸線的平均軸線。 理想主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的位置是固定不變的。然而由于各種誤差的存在， 實(shí)際上由于主軸軸頸的圓度，前后軸頸之間的同軸度以及軸承的精度，主軸本身 在重力作用下的撓度，以及支承面對軸頸中心線的垂直度等等的存在主軸回轉(zhuǎn)軸 線的位置是隨時(shí)變動(dòng)的。 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩= 卜學(xué)位論文 主軸回轉(zhuǎn)精度的誤差運(yùn)動(dòng)可以分解為如圖2 1 1 所示的三種基本運(yùn)動(dòng)1 ：純 徑向運(yùn)動(dòng)、純軸向運(yùn)動(dòng)和純角度擺動(dòng)。其中，純徑向運(yùn)動(dòng)與純角度擺動(dòng)合成為徑 向運(yùn)動(dòng)；純軸向運(yùn)動(dòng)與純角度擺動(dòng)合成為端面運(yùn)動(dòng)。 岳卜 ( a ) 徑向跳動(dòng) 一叟j 乞i i ( b ) 軸向跳動(dòng)( c ) 擺動(dòng) 圖2 1 1主軸回轉(zhuǎn)精度的表現(xiàn)形式 主軸上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)( 絕對運(yùn)動(dòng)) ，都可以分解為隨同一截面內(nèi)主軸實(shí)際回 轉(zhuǎn)軸線對平均回轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)( 牽連運(yùn)動(dòng)) 和該點(diǎn)對實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線的相對運(yùn)動(dòng)。 實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線對平均回轉(zhuǎn)軸線的位移運(yùn)動(dòng)改變了刀具和工件之間的相對位置，影 響了加工后的幾何精度。切削點(diǎn)對于實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線的位移運(yùn)動(dòng)則影響了被) j n - r 表 面的粗糙度。主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線對平均回轉(zhuǎn)軸線的誤差運(yùn)動(dòng)則稱為主軸回轉(zhuǎn)軸線 的誤差運(yùn)動(dòng)。 于是可以得到回轉(zhuǎn)精度( 誤差) 的定義：主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，其某一與主軸軸線垂 直的平面內(nèi)，瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心與平均回轉(zhuǎn)中心之間的距離的變化范圍( 漂移量) 。 2 1 2 主軸跳動(dòng)的產(chǎn)生原因 在主軸用滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)中，主軸是以軸頸在軸套內(nèi)旋轉(zhuǎn)的。如圖2 1 2 所 示，在車床一類的機(jī)床上主軸的受力方向是一定的( 切削力的方向基本不變) ， 主軸軸頸被壓向軸套表面一定的地方，軸套孔表面接觸的地方幾乎不變。這時(shí)主 軸軸頸的圓度誤差將傳遞給工件，而軸套的誤差對加工的影響較小。在鏜床一類 a 車床類機(jī)床b 鏜床類機(jī)床 圖2 1 2 采用滑動(dòng)軸承的影響 眥j 水j 1 阿精埂刪量系靖的制 床上，作用在主軸上的切削力方向是隨鏜刀而旋轉(zhuǎn)的，軸表面接觸點(diǎn)幾乎不變， 因此軸套孔的圓度誤差將傳遞給工件，而與軸頸圓度誤差的關(guān)系不大。在采用滑 動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)中，軸頸和軸套列一主軸跳動(dòng)的作用的周期與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的周期是一致 的，可以表示為周期與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)相同的個(gè)周期函數(shù)。 如圖2 1 3 所示，在主軸采用滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)中，主軸的回轉(zhuǎn)精度不僅取決 于滾動(dòng)軸承本身的精度，而且很大程度上還和配合件( 對內(nèi)環(huán)而言。是主軸軸頸， 對外環(huán)而言是箱體上的軸座t l ) 自9 精度有關(guān)。滾動(dòng)軸承本身的回轉(zhuǎn)精度取決于： 內(nèi)外環(huán)滾道的圓度誤差，內(nèi)環(huán)的壁厚和滾動(dòng)體的尺寸和圓度誤差。在這些因素中， 內(nèi)環(huán)滾道的誤差通：過眾多滾動(dòng)體綜合作用，直接作用在主軸上面，它對主軸的作 用如同上文的滑動(dòng)軸承一樣，也是周期同主軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期一致的周期函數(shù)，可以表 示為一組以主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為最小頻率的一組諧波。與滑動(dòng)軸承不同的是滾動(dòng)體對 主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。 滾道 孔與滾遭不同軸滾遒不圓 滾動(dòng)體不圓與尺寸差 圖2 1 3 采川滾動(dòng)軸承的影響 如圖2 1 4 所示，在沒有滑動(dòng)的情況下，滾動(dòng)體外部與軸承外圈接觸，速度 為0 ，內(nèi)部與軸承內(nèi)圈滾道接觸，速度與內(nèi)圈滾道相同，計(jì)為v ，則滾動(dòng)體中心 速度為v 2 ，可計(jì)算出滾動(dòng)體滾動(dòng)一周的周期t 為： 幽2 1 4 滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)示意圖 t = 2 7 r ( ri 。) ( 1 ，2 ) 22x ( 1 t r 沙o 衣幾阿楷度測量系統(tǒng)的洲m i中因利學(xué) ) - 4 t 人學(xué)順1 j 學(xué)f , 2 論義 。o 為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的周期，即滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)的周期略大于主軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期的2 倍。 因此滾動(dòng)體對主軸的作用是以t 為周期的周期函數(shù)，可以表示為： f ! 一b _ 十f 口，c o s i k 曠( k = 碥t ，髟，為各階諧波系數(shù)) ，= f 綜一l - ，單個(gè)軸承對主軸徑向跳動(dòng)的影響可以表示為： f = c 。十4 ，c o s i 妒t q - b ，c o s i k9 9 t - 廠( 妒) ，= 】，= l ( ( 1 。2 - 4 c ，+ b f l ，廠( 緲) 為其它因素對主軸的影響) 在主軸系統(tǒng)中，一般至少采用兩個(gè)軸承，主軸的運(yùn)動(dòng)同時(shí)受主軸上各軸承的 影響，但安裝在主軸不同位置的軸承對主軸運(yùn)動(dòng)的影響大小是不一致的。如果設(shè) 后端軸承對主軸的作用為，“，i i 段軸承對主軸的作用為，n ，結(jié)合圖2 1 5 所示， 則兩軸承對主軸的綜合作用可以表示為： f 2 ( 上2 l i ) c - i - ( 1 - i - 2 l 1 ) e 圖2 1 5 軸承對主軸的受力分析 由于i 訂后軸承的大小不同，導(dǎo)致兩個(gè)軸承的滾動(dòng)體對主軸作用的周期不一 致，而且兩個(gè)一般都不是另一個(gè)的整數(shù)倍，這樣兩個(gè)軸承對主軸的綜合作用將不 是一個(gè)周期函數(shù)，主軸瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線任意一圈都是不重合的。在6 ，j 后支承處這些 誤差綜合起來就造成主軸軸，f l , 線的移動(dòng)和擺動(dòng)，在主軸每一轉(zhuǎn)中都是變化的。但 在本實(shí)驗(yàn)中，l l 大致為l ! 的三倍，可知道前端軸承對主軸的作用是后端軸承的 4 倍，在精度要求不高的情況下可以只考慮前端軸承的影響。 至于主軸軸頸的精度，粗看起來好像關(guān)系不大。因?yàn)橹鬏S軸頸是和軸承內(nèi)環(huán) 裝在一起旋轉(zhuǎn)的，只要軸承內(nèi)環(huán)的精度保證就可以了。其實(shí)不然，如果忽略了主 軸軸頸的精度的話，那么滾動(dòng)軸承的內(nèi)環(huán)制造的再精密也白費(fèi)。要看到軸承內(nèi)外 環(huán)是薄壁零件，受力后很容易變形，它安裝到主軸軸頸時(shí)有一定的過盈量。因此 軸頸如果不圓，內(nèi)環(huán)就會(huì)受力而變形，使內(nèi)環(huán)的圓度下降。這樣就破壞了軸承原 有的精度，導(dǎo)致主軸回轉(zhuǎn)精度的下降。同樣的道理軸承外環(huán)裝到箱體的內(nèi)孔中時(shí)， 若內(nèi)孔不圓也會(huì)引起外滾道的變形。由此可見，滾動(dòng)軸承的配合表面也是影響主 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的研制中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)壩= 卜學(xué)位論文 軸回轉(zhuǎn)精度的重要因素。 2 1 3 主軸跳動(dòng)對加工精度的影響 主軸的純軸向竄動(dòng)對于孔加工和外圓加工并沒有影響，但在端面加工時(shí)卻與 內(nèi)外圓不垂直，主軸每轉(zhuǎn)一周，就要沿軸向竄動(dòng)一次，向前竄動(dòng)的半周形成了右 螺旋面，向后的半周形成左螺旋面，圖中細(xì)實(shí)線表示沿此線徑向各點(diǎn)都是等高的。 但是端面對回轉(zhuǎn)軸線不垂直度卻隨切削半徑的減小而增大，最后切出了如同端面 凸輪一樣的形狀，而在端面中心形成一個(gè)凸臺(tái)。在這種情況下車削螺紋，也必產(chǎn) 生單個(gè)螺距內(nèi)的周期誤差。 主軸的純徑向移動(dòng)對車削和鏜削的加工精度的影響是不同的，首先討論支承 對主軸的作用中周期與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期相同的分量對加工精度的影響?，F(xiàn)在舉一個(gè) 簡單的特例來說明鏜削時(shí)的情況，鏜軸旋轉(zhuǎn)，工件不轉(zhuǎn)。 理想位置 l 實(shí)際位置 純徑向移動(dòng)對車削圓度的影響 理想位置 l 一實(shí)際位置 純徑向移動(dòng)對鏜孔圓度的影響 圖2 1 6 純徑向移動(dòng)對圓度的影響 設(shè)由于主軸純徑向移動(dòng)而使主軸幾何軸線在y 坐標(biāo)方向上作簡諧直線運(yùn)動(dòng)， 其頻率與主軸每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)相同，振幅為a ，再設(shè)主軸中心偏移最大時(shí)，鏜刀尖 正好通過水平位置1 。則當(dāng)鏜刀再轉(zhuǎn)過一個(gè)中角時(shí)，刀尖軌跡的水平分量和垂直 分量各為： 】，= ac o s j + rc o s j3 口+ r ) c o s j z = r s i n j 南+ 吾2 公式是個(gè)橢圓方程式，即鏜出的是橢圓形。同樣也可以證明當(dāng)主軸中心偏移 最大時(shí)鏜刀的位置在別的位置的情況下，鏜出的孔也成橢圓形。車削時(shí)主軸純徑 向移動(dòng)對工件的圓度影響很小。仍假定主軸幾何軸線緣y 軸作簡諧直線運(yùn)動(dòng)，則 在工件1 處，切出的半徑要比在2 、4 處切出的半徑小一個(gè)振幅值a ，但在工件3 處卻剛好相反，當(dāng)點(diǎn)3 轉(zhuǎn)到刀尖的位置l 時(shí)，主軸中心偏移到反方向，最大之q 機(jī)床幾何精度測量系統(tǒng)的1 j j = 制中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩二l ! ：”- 7 - 位論文 處，比2 、4 處大一個(gè)振幅值a 。這樣，上述四點(diǎn)的工件直徑都相等，而在其它 各點(diǎn)所形成的直徑就只有二次小的誤差，所以車削出的工件接近一個(gè)真實(shí)的圓。 當(dāng)主軸純徑向移動(dòng)沿z 坐標(biāo)時(shí)，車削出的工件直徑也只是二次小的誤差。若主軸 幾何軸線作純偏心運(yùn)動(dòng)時(shí)，則無論車削或鏜削表面接近一個(gè)半徑為刀尖到平均回 轉(zhuǎn)軸線的距離的圓( 不考慮切削力變化引起的動(dòng)態(tài)誤差) 。當(dāng)主軸幾何軸線具有 純角度擺動(dòng)時(shí)，有兩種情況：一種是幾何軸線相對于平均回轉(zhuǎn)軸線在空問成一定 的錐角a 的圓錐軌跡，若沿平均軸線與之垂直的各個(gè)截面來看，等于幾何軸心繞 平均軸心作偏心運(yùn)動(dòng)，各截面內(nèi)的偏心量有所不同而已。如同前面分析的純徑向 偏心運(yùn)動(dòng)一樣，在此無論車削或鏜削都能獲得一個(gè)圓柱形。另一種則是幾何軸線 在某個(gè)平面內(nèi)作純角度擺動(dòng)，也就是依c i r p 文件定義的，主軸的幾何軸線在x y 平面內(nèi)作簡諧擺動(dòng)，極限擺角是a ，其頻率與主軸回轉(zhuǎn)頻率一致，沿平均軸線0 與之垂直的各個(gè)截面來看，車削表面是一個(gè)圓。以整體而論車削出來的是一個(gè)圓 柱，其半徑等于刀尖到平均回轉(zhuǎn)軸線0 的距離。 同樣的純角度擺動(dòng)，在鏜床加工時(shí)，其影響就和車削不一樣。鏜削內(nèi)孔時(shí)， 其垂直于主軸回轉(zhuǎn)平均軸線的各個(gè)截面都是橢圓，正如上文討論的一樣，就工件 內(nèi)表面整體來說，鏜削出來的是一個(gè)橢圓柱。 對于跳動(dòng)中的其它與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期不一致的頻率分量的跳動(dòng)對加工表面的 影響的形式是不盡相同的。 如由滾動(dòng)體的影響產(chǎn)生的周期大約為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期二倍的分量，產(chǎn)生的結(jié)果 則是在加工圓柱面刀具進(jìn)給時(shí)相鄰的加工軌跡交替出現(xiàn)高峰和低谷，增大了沿軸 向方向的粗糙度。 而對于跳動(dòng)中的高階分量則分別產(chǎn)生加工表面的圓度，波紋度和粗糙度，是 造成加工表面的形狀誤差的原因。 2 2 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差測量方法分析 機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差包括徑向運(yùn)動(dòng)和端面運(yùn)動(dòng)。目前的測量方法主要分為靜 態(tài)測量法和動(dòng)態(tài)測量法。 2 2 1 靜態(tài)測量法 目前，靜態(tài)測量主要采用的是表測法1 ，如圖2 2 1 所示：將一根標(biāo)準(zhǔn)精密 心棒插入主軸孔，在其外圓表面的兩處以及端面打表。這種方法比較簡單可行， 但是存在著兩個(gè)主要缺點(diǎn)： 不能反映主軸在工作轉(zhuǎn)速下的回轉(zhuǎn)誤差； 不能把性質(zhì)不同的誤差區(qū)分開。 機(jī)崍幾阿精度測里重! 型! 竺型 ! 墮型蘭些查叁蘭墮土蘭篁笙鑒 一_ ，一 隨著對機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度要求的不斷提高，就需要