超精密机床主轴回转误差在线测试与评价技术.pdf

工艺与检测 T e c h n 0 Io g y a n d T e s t 超精 密机床主轴回转误差在线测试与评价技术 术 孙郅佶① ② 安晨辉① 杨 旭① ② 张清华① 王 健① 毕 果② ①成都精 密光学工程研究中心 ， 四川 成都 6 1 0 0 4 1 ； ②厦门大学机 电工程系， 福建 厦 门 3 6 1 0 0 5 摘要为了实现对超精密机床主轴回转误差的在线测试与评价 ， 建立 了纳米级在线测试 与评价系统。对 该 系统所采用的测试仪器 、 干扰抑制、 数据处理与指标评价方法进行研 究。首先 。 在某台超精密切 削机床上搭建了由5个电容传感器组成的 5通道测试模块。接着 ， 以多通道高速数据采集模块 实 现 多通道位移数据模拟量的高速采集。然后 ， 对采集的信号进行必要的干扰信号分离。最后 ， 将 5 通道位移数据转换为易于理解的轴向误差和径 向误差数据， 并按照同步误差和异步误差进行分离。 测试结果表明 该机床主轴工作转速下的径向同步误差为 4 0 5 a m， 径 向异步误差为 6 6 a m； 轴 向同 步误差为 5 9 a m， 轴向异步误差为 5 4 n m。能够实现超精密机床主轴回转误差的纳米级在线测试 。 对于超精密光学加工表面的误差溯源和机床主轴性能分析具有重要意义。 关键词 超精密机床主轴 ； 在线测试 ； 回转误差 ； 异步误差 中图分类号 T H1 3 3 ． 3 6 文献标识码 A On l i n e me a s u r e me n t a n d e v a l u a t i o n o f s p i n d l e e r r o r mo t i o n i n u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o S U N Z h i j i ① ②， A N C h e n h u i ①， Y A N G X u ① ②， Z HA N G Q i n g h u a ①， WA N G J i a n ①， B I G u o ② C h e n g d u F i n e O p t i c E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r ，C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 ，C H N； D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， X i a me n U n i v e r s i t y ， X i a m e n 3 6 1 0 0 5 ， C H N； Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e a l i z e t h e o nl i n e me a s u r e me n t a n d a n a l y s i s o f s p i n d l e e r r o r mo t i o n i n u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e，a n a n oc l a s s t e s t i n g a n d e v a l u a t i o n s y s t e m i s e s t a b l i s h e d a n d i t s me a s u r e me nt i n s t r u me n t s，i n t e r f e r e n c e c o n t r o l ，d a t a p r o c e s s i ng，e v a l u a t i o n me t ho ds a n d e t c ．a r e i n v e s t i g a t e d．Fi r s t l y，a fiv ec ha n n e l mo d u l e c o n s i s t e d o f fi v e c a p a c i t a n c e s e n s o r s i s e s t a b l i s h e d o n a n u l t r a p r e c i s i o n c u t t i n g ma c h i n e．Al l t h e fiv e c h a nn e l s o f t he d i s p l a c e me n t s e n s o r s a r e s a mp l e d v i a a h i g h s pe e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m s i mu l t a n e o u s l y ．S e c o n d l y，t h e s e pa r a t i o n o f i n t e rfe r e n c e s i g na l s f r o m d i s p l a c e me nt s e n s o r s h a s b e e n c a r r i e d o u t ．Fi n a l l y，t h e d i s p l a c e me n t s i g na l s a r e t r a ns f o r me d i nt o r a di a l e rro r a n d a x i a l e r r o r，a n d a r e s e p a r a t e d a s s y n c h r o n o u s a n d a s y n c h r o n o u s e r r o r ．Ex p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s y n c h r o n o u s e rro r a n d t h e a s y nc h r o n o u s e rro r i n r a d i a l d i r e c t i o n a r e 4 0 5 n m a n d 6 6 n m r e s p e c t i v e l y．a n d t h e s y n c h r o n o us e r r o r a n d t h e a s y n c h r o n o u s e rro r i n a x i a l d i r e c t i o n a r e 5 9 a m a n d 5 4 n m r e s p e c t i v e l y．I t c a n me e t t h e s y s t e m d e ma n ds o f n a n oc l a s s ，o n l i n e me a s u r e me n t o f u l t r a p r e c i s i o n s pi n dl e．Th u s，i t i s o f g r e a t i mp o r t a n c e f o r t h e o p t i c a l wo r k pi e c e’ s s u rfa c e e rro r t r a c i n g．a n d t h e s p i n d l e’ s p e rfo r ma n c e a n a l y z i n g． Ke y wo r dsu l t r a p r e c i s i o n s p i n d l e；o nl i n e me a s u r e me n t ；r o t a t i n g e r r o r ；a s y n c h r o n o us e rro r 随着机床精度的不断提高 ， 超精密加工机床从精 密机械领域不断向光学加工领域迈进 ， 尤其是超精密 切削机床 ， 以其高精度 、 高确定性和高效率等优势， 被 广泛 应 用 于 各 种 高 精 度 模 具 及 光 学 元 器 件 的 加 工 J 。成都精密光学工程研究 中心采用超精密飞刀 切削机床装载大圆弧刃刀具切削光学元件， 表面粗糙度 可以达到 2 n m以内。近年来国内在超精密机床的设计 制造方面投入了巨大的精力 ， 在切削、 磨削、 子口径抛光 和磁流变抛光等超精密加工设备研制方面取得了重要 突破 ， 很大程度上突破了欧美对我国相关设备的垄断与 技术封锁 ； 但是 ， 在超精密加工机床 的研制 以及工 艺研究中至关重要的超精密检测技术发展较 为滞后， 严 重制约了机床研制与工艺水平的进一步提升。 主轴是超精密机床的重要部件 ， 主轴的 回转误差 高档数控机床与基础制造装备“ 强激光光学元件超精密制造关键装备研 制” 2 0 1 3 Z X 0 4 0 0 6 0 1 11 0 20 0 1 zu1 0 将直接影响机床的整体性能。以往国内超精密机床主 轴回转精度的评价 ， 只能采用准静态离线测量方式 ， 这 与主轴高速旋转的实 际工况有很大差异 ， 且测量精度 也达不到亚微米级 7 。而 目前超精密机床多采用 精密气浮轴承 ， 其回转精度可达几十纳米 ， 必须开发一 套高精度在线测试系统 ， 能够实现 主轴不 同方 向误差 信号的高速在线采集 ， 并进行离线分析处理 以获得具 有实际工程意义的参数化评价指标 ， 并对 主轴 的误差 来源 、 作用机制与影响程度进行分析。 本文基于美国 L i o n P r e c i s i o n公司的 S E A s p i n d l e e r r o r a n a l y z e r 系统进行主轴 回转误差 的多通道数据采 集。该系统硬件部分主要 由一个 双头标准球杆和 5个 通道的电容位移传感器组成。该套系统 的数据传输和 内部算法是完全封闭的， 自带软件 只能得到不连续 的 有限参数评价 ， 无法满足连续测量与数据深度分析的 要求。因此需要采用高速数据采集卡直接读取各通道 的模拟数据 ， 并进行滤除干扰、 多通道数据转换 以及参 数化合成处理 。该系统可进行连续数据采集 ， 具备完 善的频率分析功能， 以及客观的参数化指标评价功能， 以实现纳米量级超精密机床主轴误差的在线测试与离 线分析评价 目的。 1 主轴 回转误 差在 线测试模块组成 1 ． 1 在线测试硬件模块构成 图 1为主轴 回转误差在线测试系统 的硬件构成。 它主要 由超精 密切削机床 、 标 准球 杆 、 电容位移传感 器 、 夹持调整系统 、 模拟量采集模块 以及通用计算机等 部分构成。测试对象 为一台立式超精密 飞切加工机 床 ， 大圆弧刃天然金刚石刀具固定在大飞刀盘的外缘 做高速旋转 ， 工件则 固定在工作台上做水平方向进给 ， 从而完成平面光学元件加工任务。该超精密机床主轴 采用气浮轴承支撑 ， 由直连在主轴上 的电动机轴提供 驱动 ， 若在一定转速范围内认为主轴旋转部分为刚体 ， 则通过测量主轴尾端部 的 5个方 向的位移规律 ， 可以 换算出固定于主轴头端部刀尖部位 的运动特征。因此 在主轴尾端部固定双头 标准球杆如图 1 所示 ， 并采用 L i o n P r e c i s i o n的电 容位移传感器进行 5通道的精密测量 ， 分别是下部标 准球的 、 y方 向， 以及上部标准球的 X、 Y 、 Z方向， 标 准球杆 的圆度误差优于 3 0 n m， 电容位移传感 器的分 辨率为 2 n m。对采集到的 5通道位移信号采用 Z o n i e ． b o o k 6 1 8 E高速数据采集模块进行采集和存储记录， 并 编制软件对采集的数据进行分析处理 。整个采集过程 在实际工艺加工过程 中在线实施 。 ． ． z U1 0 年帚 册 T e c h n 0 10 g y 0 n d T e sf 工艺与检测 图1 主轴 回转误差在线测试系统 的硬件构成 1 ． 2 回转误差数据处理基本流程 由数据采集模块获得的 5通道位移数据含有干扰 信号及标准球杆安装偏心等误差数据 ， 且需要将数据 转换成具有评价意义 的轴 向误差与径 向误差的方式 ， 因此需要对数据进行处理。图 2所示为数据处理 的基 本流程 ， 首先将上端 、 l ， 通道和下端 、 l ， 通道 的数据 分别合成为该处轴心在水平面内的运动轨迹 ， 并通过 正弦拟合方式去除安装偏心 ； 然后采用梳状滤波器提 取同步误差信号 ； 最后 由总误差减去 同步误差信号 ， 再 进行工频干扰抑制等处理获得异步误差信号 ， 获得主 轴旋转误差的各项精度指标。 图2 回转误差数据处理模块 2 回转误差评价算法 如图 3所示为 自主开发 的主轴回转误差计算流程 图， 整个流程通过合理去除测量误差 ， 提取有效 的误差 信号 ， 按照实际需求对误差进行不同方向分离 ， 并进行 图像化展示和误差频谱分析。 2 ． 1 去除安装偏心 首先读入 由 L i o n P r e c i s i o n测得 的主轴 回转误差 模拟量信号 。由于安装 L i o n P r e c i s i o n的标准球杆时 ， 工艺与检测T 0 l0 gI y a n c l T e s t 标准球中心与主轴旋转轴线之间不可避免存在一个固 定偏心量 ， 测量时该偏心会引入一个标准正弦误差 ， 以 往学者均采用傅里叶变换去除一阶信号的方式去除该 偏心 。由于本文的测量对象其主轴转速控制并没 有采用闭环控制方式 ， 主轴转速存在一个小范围波动 ， 傅里叶变换去除偏心的方法效果并不理想 。因此本文 提出一种最佳正弦拟合 的方式去除偏心 ， 基于整个测 量周期拟合出最贴近实测 曲线的正弦 曲线 ， 如图 4所 示 。这种测试方式可以在考虑转速波动 的情况， 得到 最佳的偏心去除效果。 去除偏心 图3 主轴回转误差计算流程图 时闯／ S 图4 标准球杆安装偏心去除曲线 2 ． 2 去 除干扰 信 号 测试过程 中不可避免地会引人工频干扰等 ， 在纳 米级测试 中工频干扰是一个不可忽略的干扰源 ， 如果 对工频干扰处理不进行有效处理 ， 甚至会在测量结果 中引入微米级误差 ， 这是绝对不能允许的。首先在测 试时必须将 电容传感器外壳和被测标准球杆共地 ， 并 对测得 的信号进行滤波数据处理 ， 本文采用梳状滤波 器对信号中的工频干扰进行滤波 ， 梳状滤波器频率特 性 如图 5 。 ∞ 勺 馨 鞲 垂 m 一 图5 梳状滤波器频率特性 2 ． 3同步 、 异步误差分离 根据 美 国 A S ME A me r i c a n S o c i e t y o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s 标准 ， 可 以对主轴误差按照频率划分 为 同步误差和异步误差。同步误 差又叫平均误差 ， 指主 轴 回转基频整倍数的那些分量的总和 ； 异步误差又叫 随机误差 ， 是指总误差减掉同步误差的剩余分量 ， 包括 主轴回转基频整数倍 以外的其他误差成分 以及基频以 内的周期性谐波成分。这种分离方式对于工程评价和 误差源辨识是具有实际意义的。同步误差往往对应于 加工表面的周期性低频波纹误差 ， 而异步误差则更多 造成加工表面的高频粗糙度误差。研究 中使用梳状滤 波器， 设置合理的滤波参数对信号中的同步异步信号 进行提取分离。 2 ． 4参数化指标评价 按照误差方 向分为轴 向误差 和径 向误差 ， 并分别 进行 同步误差和异步误差评价 ， 得到主轴参数化的评 价指标， 用以表征主轴的旋转精度。由上部和下部 、 y通道分别获得该位置 的径向误差 ， z通道获得轴向 误差 ， 上 、 下通道联合计算 可 以得到主轴轴线 的偏 摆 误 差 。 由于最小二乘法计算主轴 回转误差其结果具有唯 一 性 ， 精度高 ， 并有成熟的计算公式 ， 故选用最小二乘 法对主轴回转误差进行计算 ， 并使用 圆度图像法评价 主轴 回转误差。最小二乘法计算方法如下 2∑A X n 一 2∑A b 生一 D 1 厶Z u T 1 式中 n 、 b为最小二乘 圆圆心坐标 ； d 为点 瓦 ， 到 坐标原点的径向距离。计算轮廓上各点到最小二乘圆 一 0 T e C h n 0 Io g y a n d T 工艺与检测 基于 T R I Z理论的组合机床镗刀系统结构改进 吴贵军 国秀丽 安阳工学院机械工程学院， 河南 安阳 4 5 5 0 0 0 摘要根据组合机床镗孔车端面动力头镗 刀系统的使用情况， 运用 T R I Z理论 ， 研究了镗刀系统结构存在 的技术矛盾 ， 分析出了改善的参数和恶化的参数 ， 根据矛盾矩阵， 采用分割原理 ， 提出了镗刀刀座与 刀杆采用分体式设计的改进措施 ， 在使用过程 中出现明显的振动现象 ， 又建立物一场分析模型 ， 采 用第二类标准解 ， 刀杆的夹持部分制成锥度 ， 利用 S o l i d Wo r k s软件建立了刀杆的三维模型 ， 用 S i re- u l a t i o n插件对刀杆进行了有限元分析 ， 运算出刀杆受力变形量满足 要求 ， 使用过程 中振动现 象完 全 消 除。 关键词 T RI Z； 组合机床 ； 有限元分析 ； S i mu l a t i o n 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 A S t r u c t u r e i mp r o v e me n t o f b or i n g t o o l s y s t e m o f c o mb i n e d ma c h i n e t o o l b a s e d o n t h e t h e o r y o f T RI Z WU G u i j u n ． G U O X i u l i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， A n y a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， A n y a n g 4 5 5 0 0 0， C H N Abs t r a c tAc c o r d i n g t o t h e u s e e n d p o we r h e a d b o r i n g c u t t e r s y s t e m o f b o rin g mo d u l a r ma c hi n e t o o l a n d us i n g TRI Z t h e o r y t h e t e c h n i c a l c o n t r a d i c t i o n s o f b o rin g t o o l s y s t e m s t r u c t u r e i s s t u d i e d ．Ame l i o r a t i v e para me t e r s a n d d e p r a v e d p ara me t e r s ha v e b e e n a n a l y z e d．Ac c o r di n g t o t h e c o n t r a d i c t i o n ma t rix a n d s e g me n t a t i o n p rin c i p l e t h e b o rin g c u t t e r a n d t h e c u t t e r r o d s p l i t d e s i g n i mp r o v e me n t me a s u r e i s a d o p t e d．Th e o b v i o u s v i b r a t i o n p he n o me n o n a p p e ars i n t h e us e p r o c e s s ．An d t h e a n aly s i s mo d e l o f s u bs t a n c efie l d h a s b e e n e s t a bl i s h e d ． Us i n g s e c o n d t y pe o f s t an d a r d s o l u t i o n h o l d i n g p o r t i o n o f c u t t e r c l a mp i n g r o d h a s b e e n ma d e i n t o t a p e r ． Th r e ed i me ns i o n a l mo d e l o f t h e c u t t e r arb o r h a s b e e n e s t a b l i s h e d u s i n g S o l i d W o r k s ．And F EM a na l y s i s i s c a r r i e d o u t us i n g S i mu l a t i o n p l u gi n c o mp o ne n t s ．Th e c u t t e r ba r f o r c e d e f o r ma t i o n wh i c h me e t s t h e r e qu i r e me n t s ha s b e e n c a l c u l a t e d．Th e v i b r a t i o n p h e n o me n o n d i s a p p e a rs c o mp l e t e l y i n t h e us e ． Ke y wor dsT RI Z；mo d ul a r ma c hi n e t o o l ；fin i t e e l e me n t a n a l y s i s ；S i mu l a t i o n 创新是人类永恒 的话题 ， 是推动人类进步的动力 ， 是工业发展的源泉 ] ， 在过去 的 2 O年里 ， 我 国工业快 速蓬勃发展 ， 但是拥有 自主知识产权含量较高 的产品 较少 ， 由于创新是 1个系统工程， 见效慢 、 投入大 、 失败 风险率高 ， 所 以我 国的工业发展一直滞后 于欧美等创 新大国， 而找到创新工具、 创新技法会使我们的创新过 [ 5 ] 黄坤涛， 房丰洲， 官虎． 超精密车削表面微观形貌对光学特性的影 响 [ J ] ．光学精密工程 ， 2 0 1 3 ， 2 1 1 1 0 1 1 0 7 ． [ 6 ] 许乔 ，王健 ， 马平 ， 等．先进光学制造技 术进展 [ J ] ． 强激光 与粒子 束．2 0 1 3 ， 2 5 1 2 3 0 9 8 3 0 1 5 ． [ 7 ] 夏欢 ，陶继忠．空气静压球面轴 承主轴 回转 精度测试 研究 [ J ] ，轴 承．2 0 1 3 7 5 65 8 ． [ 8 ] 张丹， 黄惟公， 王瑞， 等．车床主轴 回转精度数字式单向测量法 [ J ] ．制造技术 与机床 ， 2 0 1 4 1 0 4 1 5 4 ． [ 9 ] B r y a n J B， Va n h e r c k P ．U n i f ic a t io n o f t e r mi n o l o g y c o n c e r n i n g t h e e r r o r mo t i o n o f a x e s o f r o t a t i o n[ J ] ．C I R P A n n als ．1 9 7 5 8 5 5 5 5 6 2 ． [ 1 0 ] D o n a l d s o n R P ．S i m p l e me t h o d f o r s e p a r a t i n g s p i n d l e e r r o r f r o m t e s t Z U 1 0 幂 朋 b a l l r o u n d n e s s e r r o r [ J J ．C I R P A n n al s ．1 9 7 2 2 1 2 51 2 6 ． [ 1 1 ] G a o W，S a t o E，O n u m a T ．R o u n d n e s s a n d s p i n d l e e r r o r me a s u r e me n t b y a n g u l ar t h r e ep rob e me o d[ J ] ．J o u r n a l o f t h e J a p a n S o c ie t y f o r P r e c i s i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 2 ， 6 8 9 1 1 9 51 1 9 9 ． [ 1 2 ] A S ME B 8 9 ． 3 ． 4 2 0 1 0 Ax e s o f R o t a t i o n Me t h o d s f o r S p e c i f y i n g a n d T e s t i n g 第一作者 孙郅佶 ， 男， 1 9 9 0年生， 硕士研究生， 主要 从事超精密切 削工艺与超精密机床测试方面的研 究。 编辑刘文元 收稿日 期 2 0 1 5 0 4 2 7