机床主轴回转误差测试研究.pdf

机 床 主 轴 回 转 误 差 测 试 研 究 口张旭栋 口徐增豪 口施文军 口李灏 z 1 ． 上海理工大学 机械学院上海 2 0 0 0 9 3 2 ． 上海第三机床厂上海 2 0 1 6 0 0 摘要 以 L a b VI E W 为平台， 设 计 了主轴 回转误差 实验 系统 。该 系统由位移测试单元、 采样时钟 单元 、 数据采集卡及 通 用计算机组成。用于主轴 回转精度的 实际测量， 取得 了良好效果。 关键词 主轴回转误差测试热变形 中图分类号 T H1 6 1 ． 2 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 0 0 9 0 0 6 8 0 3 机 床 主 轴 的 回 转 运 动 误 差 是 影 响 机 床 加 工 精 度 的 重 要 因素 之 一 ， 它 直 接 影 响 到 加 工 零 件 的 形 状 精 度 、 表 面 质 量 及 粗 糙 度 。 主 轴 回 转 误 差 是 反 映 机 床 动 态 性 能 的 主 要 指 标 之 一 。 通 过 回 转 误 差 运 动 的测 试 ， 可 预 测 机 床 在 理 想 加 工 条 件 下 所 能 达 到 的 最 小 形 状 误 差 和 粗 糙 度 ， 还 可 判 断 产 生 加 工 误 差 的原 因 。 对 高 速 高 精 密 主 轴 回 转 误 差 的 实 时 动 态 高 精 度 的 测 试 ， 不 仅 可 进 行 主 轴 工 作 精 度 的评 定 ， 也 可 进 行 主 轴 工 作 状 态 的监 测 及 故 障 诊 断 ，还 可 为 机 床 主 轴 回转 误 差 预 测 补 偿 控 制 提 供 重 要 的 测 试 基 础 。该 测 试 技 术 对 超 精 密 、 智 能 化 机 床 的 发 展 具 有 重 要 意 义 。 1 主轴 回转误 差的测量原 理与方法 目前 ，机 床 主 轴 回 转 误 差 的 测 量 方 法 主 要 分 为 静 态 测 量 法 、 动 态 测 量 法 和 在 线 误 差 补 偿 监 测 法 等 。 1 静 态 测量 法 。将一 根精 密芯 棒插 入机 床主轴 锥 孑 L 通 过 在 芯 棒 的 表 面 及 端 面 放 置 千 分 表 来 进 行 测 量 。 但 这 种 方 法 不 能 反 映 主 轴 在 工 作 转 速 下 的 回转 误 差 。 2 动 态 测 量 法 。 本 实 验 所 用 的 是 动 态 测 量 法 ，通 过 芯 棒 周 围安 装 位 移 传 感 器 来 进 行 测 量 ，并 利 用 传 感 收稿 日期 2 0 1 O 年3 月 器 测 得 的 位 移 信 号 进 行 分 析 处 理 。 3 在 线 误 差 补 偿 检 测 法 。在 机 床 主 轴 处 于 切 削 状 态 下 ， 将 监 测 的 结 果 直 接 用 于 控 制 切 削 补 偿 量 。 此 方 法 较 为 复 杂 ， 很 少 在 现 场 检 测 时 采 用 。 2 虚拟仪器实验系统 在 现 今 的 机 械 实 验 测 试 领 域 ，传 统 的 实 验 测 试 方 式 已 无 法 适 应 信 息 社 会 的要 求 ， 无 论 是 实 验 周 期 、 实 验 精 度 还 是 性 价 比 ， 都 越 来 越 显 示 出 其 局 限 性 。虚 拟 仪 器 系 统 概 念 是 对 传 统 仪 器 概 念 的 重 大 突 破 。 “ 虚 拟 ”主要 有 两 个 方 面 的 含 义 ① 它 的 面 板 是 虚 拟 的 ； ② 它 的测 试 功 能 是 由软 件 编 程 来 实 现 。 虚 拟 仪 器 与 传 统 仪 器 的 最 大 不 同 之 处 就 在 于 应 用 的灵 活 性 和 功 能 的 重 构 性 上 。 它 的 基 本 思 想 是 利 用 计 算 机 管 理 仪 器 ， 组 织 仪 器 系 统 ， 进 而逐 步代 替仪 器完 成某 些功 能 ，如数据 的采 集 、分 析 、 显 示 和 存 储 等 。 因 此 ， 利 用 虚 拟 仪 器 进 行 主 轴 回 转 误 差 实 验 的 开 发 ， 灵 活 性 强 。 3 实验 3 ． 1 测 试 方 法 简介 本 次 实 验 测 试 机 床 主 轴 在 工 作 过 程 中 的 回 转 误 ， I I ■ 野 啦 譬 P 0● 嘲 目 l I 吕 I 譬 圈 ■ _ ▲图5 有1 号裂纹显示 的波形 ▲图6 有2 号裂纹显示的波形 能 够 准 确 筛 出 ， 缺 陷 可 通 过 波 形 的 相 位 角 及 幅 值 清 晰 辨 出 。 [ 1 】吴 前驱 3 结束语 [ 2 】任吉 林 检 测 结 果 表 明 ，采 用 涡 流 方 法 对 不 可 拆 的 问 题 工 201 0／9 件 进 行 筛 选 是 一 种 非 常 有 效 的 方 法 ， 此 技 术 利 用 平 面 阻 抗 图 分 析 ，结 合 传 感 器 设 计 ， 可 非 常 直 观 地 对 各 种 信 号 进 行 区 发 和 分 析 ， 可 有 效 地 发 现 穿 透 性 缺 陷 ， 对 未 穿 透 性 缺 陷 也 能 及 早 发 现 ， 提 高 了 工 件 的 质 量 。此 方 法 具 有 检 测 速 度 快 、 灵 敏 度 高 、 测 试 结 果 准 确 等 特 点 。 参 考 文 献 表面无损检测 【 M】 ．北京 水利电力 出版社 ， 1 9 9 1 ． 电磁无损检测 【 M】 ．北京 航空工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． △ 编 辑 小 前 机械制造4 8 卷第g 3 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m B一 8 7 6 5 4 3 2 l I ． 主轴 2 、 9 ． 后轴 承处温度传 感器 3 、 1 0 ． 前轴承 处温度传感器 4 ． 芯棒 5 、 7、 1 1 、 1 2 、 1 3 ． 位移传感 器 6 ． 位移传感器夹具 8 ． 铁架 ▲图1 回转精度测量示意图 ▲图2 主轴热误差测量 的传感器 ▲图3 主轴热误差测量装置及显示屏 采 用 电 容 式 位 移 传 感 器 测 试 主 轴 的 径 向 和 轴 向 变 形 ， 用 温 度 传 感 器 测 试 其 工 作 过 程 中 的 温 度 变 化 。实 验 测 试 示 意 如 图 1所 示 ， 机 床 主 轴 的 实 际 测 试 如 图 2、 图 3 所 示 。测 试 中 ， 在 主 轴 上 安 装 一 根 西2 02 0 0 mm 的 钢 制 芯 棒 ，利 用 主 轴 带 动 芯 棒 的 回 转 来 测 试 主 轴 的 热 误 差 。 调 整 主 轴 位 置 ，使 芯 棒 位 于 带 有 电 容 传 感 器 的 专 用 夹 具 处 。此 时 芯 棒 的径 向有 4个 电容 传 感 器 ，轴 向 有 1个 电 容 传 感 器 。 校 正 芯 棒 的 径 向跳 动 在 2 m 以 内 ， 消 除 测 量 中 的 电 磁 场 干 扰 。 然 后 在 主 轴 的 前 轴 承 2 个 位 置 和 后 轴 承 2个 位 置 放 置 4个 温 度 传 感 器 ，测 量 其 温 升 ，另 外 用 一 个 温 度 传 感 器 测 量 环 境 温 度 的 变 化 情 况 。测 量 主 轴 在 8 0 0 0 r ／ mi n连 续 工 作 4 h然 后 停 机 l h ，冷 却 工 作 过 程 中 观 察 主 轴 变 形 情 况 ，整 个 测 试 过 程 在 L a b VI E W8 ． 2的 平 台 上 进 行 。 3． 2测 试 分 析 实 验 中测 量 各 温 度 传 感 器 及 各 方 向上 位 移 量 ，如 图 4和 图 5所 示 。 从 图 4可 以看 出 ，主 轴 开 始 运 转 的 6 0 rai n时 间 内 ，主 轴 各 测 点 的温 升 显 著 ， 然 后 进 入 缓 升 期 至 2 2 0 mi n后 ， 温 升 达 到 热 平 衡 。从 图 5可 以 看 出 ，主 轴 的 径 向热 变 形 比较 小 ，说 明 主 轴 在 运 行 过 程 中 径 向 跳 动 误 差 比较 小 。 而 主 轴 在 运 行 过 程 中轴 向热 变 形 比较 大 ， 从 图 5可 以看 出 ， 主 轴 在 2 4 0 mi n时 ， 停 止 运 转 ， 轴 向 的最 大 热 变 形 可 达 1 3 0 Ix m 左 右 。 所 以 在 机 床 工 作 过 程 中应 多 注 意 主 轴 的 轴 向 热 变 形 造 成 的 加 工 误 差 。 主 轴 在 停 止 运 行 后 ，轴 向 热 变 形 曲 线 在 2 4 0 mi n后 继 续 阶 跃 上 升 。 这 是 因 为 主 轴 在 转 动 过 程 中 由转 动 带 动 的 主 轴 周 围 气 流 的 运 动 ，使 3 5 3l 2 7 赠2 3 l 9 l 5 鲁 i ＼ 蕞 t 一 环境温度 t 前轴承温1 后轴承温 1 _ ” 一前轴承温2一 * 一后轴承温2 O 2 O 4 0 6 O 8 O 1 0 0 1 2 O 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 28 0 时间／ ra i n ▲图4 机床主轴各测点温度曲线 一一盼 向1 y 方na ] 2 肪向l * 肪 向2 Z 疗向 时问 ／ mi n ▲图5 机床主轴各方 向热变形曲线 表1 主轴上温度测量值记录表 测量时间 ／ rai n 0 1 5 3 0 6 0 1 2 0 2 4 0 2 4 0～3 0 0 主轴转速 ／ r r n i n 8 0 0 0 8 0 0 0 8 O 0 O 8 0 O O 8 0 0 0 8 0 0 0 0 停 车 主轴上部前轴承 1 ／ ℃ 1 7 2 1 ． 1 2 4 ． 8 2 7 ． 9 3 O ． 3 3 1 ． 9 2 8 主轴上部前轴承 2 ／ ℃ 1 7 ． 2 2 5 ． 2 2 8 ． 4 2 9 ． 7 3 O ． 5 3 2 ． 2 2 8 主轴右侧前轴承 1 ／ C l 7 2 3 ． 2 2 6 ． 8 2 8 ． 6 2 9 ． 9 3 2 ． 2 2 7 ． 3 主轴右侧 前轴承 2 ／ ％ l 6 ． 8 2 3 ． 8 2 7 ． 6 2 9 ． 4 3 0 ． 4 3 2 ． 8 2 7 ． 2 环境温度 ／ ℃ 1 7 ． 3 l 6 ． 9 l 6 ． 8 1 6 ． 7 l 6 ． 9 l 7 l 7 主 轴在运 转 过程 中向周 围空 气散 热 。 但 是 ， 当 主轴停 止 转 动 以后 ， 主 轴 向 周 围 空 气 的散 热 能 力 下 降 了 ， 导 致 主 轴 在 停 转 以后 ， 主 轴 前 轴 承 处 温 度 有 一 段 持 续 上 升 的 过 程 ， 所 以 主 轴 热 变 形 还 是 在 持 续 上 升 。 因 此 ， 机 床 停 机 不 应 该 马 上 停 止 主 轴 转 动 ， 应 该 让 主 轴 有 一 个 从 高 速 到低 速 慢 慢 停 止 的 过 程 ，这 样 就 避 免 了 主 轴 从 高 速 机械制造4 8卷 第5 5 3 期 直 接停 止后 温升 过高 的 问题 。 从 表 1中 可 以看 出 ， 主 轴 在 运 转 过 程 中 温 升 最 大 在 2 4 0 rai n时 为 1 6 o C，在 合 理 的 温 升 范 围 内 ，即 主 轴 温 升 相 对 于 环 境 温 度 不 超 过 3 0 o C。 从 表 2可 以 看 出 ， 向 和 l ， 向 的 位 移 相 对 Z 向较 小 ，X 向 和】 ， 向偏 角 误 差 和 B t g E ／ l , ，可 以 忽 略 不 2 0111 f 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基 子 F P B S 的 产 品 平 台 构 建 研 究 口曹建平 口杜宇 。 口龚京忠 口张萌 1 ．国防科学技术大学 机电工程与 自动化学院长沙4 1 0 0 7 3 2 ． 解 放军驻航天科工集团二 院 2 8 3厂军工代表室北京 1 0 0 8 5 4 摘要 产品平 台的构建是 面向产品族设计的核 心内容。 首先通过基 于性 能 一功能拓展 对产品平 台的一般定 义进行扩 展 ； 然后 通过对产品功能 一原理 一 行 为 一 结构 F P B S 映射分解模型的扩展 完成产品族从客户需求到模块化体系结构的映 射过程 ， 进 而完成产品平 台的构建 ； 最后介绍基 于 F P B S 产 品平 台动态构建过程 。 关键 词 产 品平台产品族 F P B S构建 中图分类号 F 2 7 3 ； C 9 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 9 9 8 2 0 1 0 0 9 0 0 7 0 0 4 随 着 客 户 对 产 品 个 性 定 制 需 求 的增 强 及 信 息 技 术 的 快 速 发 展 ，大 规 模 定 制 生 产 模 式 Ma s s C u s t o mi z a t i o n ， MC 成 为 当 前 先 进 制 造 领 域 研 究 前 沿 和 发 展 趋 势 。 MC生 产 模 式 旨在 满 足 客 户 个 性 化 需 求 的 同 时 保 持 大批 量生 产的效 率和 成本 。生产 实践 表 明 平 台战略是 实 现 大 规 模 定 制 的 有 效 方 式 。 平 台 战 略 的 基 本 思 想 是 提 取 产 品设 计 、 制 造 、 装 配 和 管 理 过 程 中 的 核 心 公 共 部 分 ， 使 其 标 准 化 以 实 现 规 模 效 益 。从 广 义 上 来 说 ， 使 产 品 得 到 实 现 的 一 系 列 公 共 元 素 都 应 放 在 产 品 平 台 的 范 畴 内 ，如 图 1所 示 。 针 对 产 品 族 的 规 划 设 计 ，研 究 人 员 “】 一 般 将 产 品 平 台 范 畴 限定 于 产 品 族 物 理 通 用 模 块 及 其 设 计 参 数 。 对 产 品 平 台 进 行 构 建 和 规 划 优 化 是 当 前 研 究 的 热 收稿 日期 2 0 1 O 年4 f l 表2 主轴检测量芯棒热变形结果数值 点，He r n a n d e z _ 1 I 等 从 几 何 空 间 的 角 度 提 出 了 由上 到 下 的 产 品 平 台 开发 方法 ，并用 实 例 来 说 明 了 该 方 法 的 有 效 性 ； W i l l i a m 等 应 用 结 合 分 析 的 方 法 对 产 品 平 台 的 市 场 绩 效 进 行 量 化 ， 提 出 产 品 平 台 的 规 划 方 法 ； 陈 俊 、 黄 炜 1 分 析 了 产 品 平 台 的体 系结 构 ，提 出 了基 于 产 品 平 台实 施 大 规 模 定 制 的 整 合 策 略 ， 对 系 统 作 用 进 行 了建 模 ； 镇 璐 等 针 对可调 节 变量产 品平 台 ，提 出利用遗 传算法 进 行 规 划 ， 目标 函 数 是 不 同 客 户 群 间 共 享 设 计 参 数 的 数 量 ， 以小 容 量 三 相 异 步 电 动 机 为 例 ， 对 算 法 的 有 效 性 测量时 间／ mi n O l 5 3 0 6 0 1 2 O 2 4 0 2 4 0～3 0 0 主轴转 速／ r rai n 8 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 8 O 0 0 8 0 0 0 8 O O 0 0 停车 X位移／ m O 一2 ． 4 4 5 ． 0 9 2 ． 2 9 0 ． 7 0 0 ． 1 4 一O ． 8 5 y位移／ Ix m O O ． 0 3 0 ． 7 4 0 ． 7 6 1 ． 5 2 3 ． 4 4 0 ． 8 6 Z位移／ m O 2 5 ． 4 9 4 3 7 3 6 4 ． 9 7 9 6 ． 9 O l 2 7 ． 3 l 2 6 ． 9 A 向偏角误差 ／ Ix m 0 0 ． 0 0 0 9 3 0 ． 0 0 1 9 4 0 ． 0 0 0 8 8 0 ． 0 0 0 2 7 0 ． 0 0 0 0 5 0 ． 0 0 0 3 3 B Y向偏角误 差 ／ F m O 0 ． 0 0 0 0 l 0 ． 0 0 0 2 9 0 ． 0 0 0 2 9 0 ． 0 0 0 5 8 0 ． 0 O l 3 1 0 ． 0 0 0 3 3 L ／ h i m 测量芯棒长 童 1 5 0 计 。 而z向 轴 向 的 变 形 在 2 4 0 mi n 主轴 温 升 最 高 时 ， 其值达 1 2 7 ． 3 m。对于 精密机床 ， 此误 差偏大 。建议 主 轴 部 件 外 套 加 水 冷 却 循 环 回路 ， 带 走 主 轴 连 续 高 速 运 行 产 生 的热 量 ， 降 低 热 变 形 引 起 的 主 轴 轴 向 误 差 。 4结束语 介 绍 了 主 轴 回 转 误 差 的 测 量 理 论 及 测 试 方 法 。 根 据 实 验 的具 体 情 况 和 自 身 条 件 ，以 L a b VI EW 软 件 为 平 台 ， 软 、硬 件 相 结 合 ，进 行 了 信 号 采 集 、 数 据 存 储 和 处 2 01 0／9 理 。 同 时 ， 对 采 集 到 的 数 据 进 行 分 析 ， 观 察 主 轴 在 运 转 条 件 下 的 回转 误 差 。事 实 求 证 得 出 实 验 测 试 主 轴 的 回 转 误 差 在 合 理 范 围 内 。通 过 采 用 L a b VI E W 软 件 对 本 实 验 进 行 开 发 ， 发 现 其 灵 活 性 强 ， 且 开 发 时 间 短 。 参 考 文 献 【 1 】 徐秀玲 ， 姜军， 王红亮 ．机床主轴 回转误差 测试系统研究 【 J 1 ． 制造技术与机床，2 0 0 8 1 0 ． [ 2 ]李艳 ．基于l a b V I E W虚拟实验仪器的设计与应用 【 D 】 ．南 京 南京理工大学，2 0 0 6 1 1 ． [ 3 】 景岗， 陈尔 昌， 张立平 ． 高精度主轴回转精度 的测试与研究 【 J 】 ． 制造技术与机床，1 9 9 6 6 2 42 6 ． [ 4 】李伟光， 张送， 朱火美 ．基于虚拟仪器 的电主轴检测 【 J 】 ．机 械工程师， 2 0 0 9 2 9 3 9 4 ． 编 辑 小 前 机械制造4 8 卷 第5 5 3 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m