精密主轴回转误差在线动态测试技术研究
主轴动态回转误差测试及分析
主轴动态回转误差测试及分析作者：沈阳机床来源：《CAD/CAM与制造业信息化》2013年第03期本文探讨了关于数控机床主轴动态回转误差的测试及分析问题，首先简要介绍了回转误差的组成、产生的原因及对加工精度的影响等，然后深入研究了回转误差的计算和分析，并编制了分析程序，提供了具体的分析实例。
一、引言机床主轴回转轴误差运动是指在回转过程中回转轴线偏离理想轴线位置而出现的附加运动，是评价机床动态性能的一项重要指标，是影响机床工作精度的主要因素。
回转轴误差运动的测量和控制，是各种精密设备及大型、高速、重载设备的重要技术问题之一。
通过对回转轴误差运动的测定，可以了解回转轴的运动状态和判断产生误差运动的原因。
机床主轴回转误差的测量方法有打表测量、单向测量和双向测量等。
造成机床回转误差的原因有主轴传动系统的几何误差、传动轴偏心、惯性力变形和热变形等误差，也包括许多随机误差。
通过径向跳动量和轴向窜动量测试实验可以有效满足对回转精度测量的要求。
二、回转误差的运动组成机床主轴的回转误差可以分为三种基本形式：①与回转轴线平行的轴向位移（纯轴向窜动）；②与回转轴线平行的径向位移（纯径向跳动）；③倾斜（纯角度摆动）。
如图1所示。
一般情况下，这三种基本形式的误差是同时存在的，产生的加工误差也是三种形式误差影响的叠加。
径向误差的大小取决于测量头的轴向位置，轴向误差的大小取决于测量头在测量平面上的径向位置。
因此必须说明评定时选择的轴向和径向位置。
三、回转误差产生的原因机床主轴回转误差产生的原因是多种多样的，各种原因对机床主轴运动的影响也不尽相同。
一方面有机床主轴传动系统的几何误差、转动轴系质量偏心产生的误差、所受惯性力变形产生的误差及设备热变形产生的误差等系统性（确定性）误差。
如机床主轴轴系中的轴套、机床主轴轴颈及滚动体的形状误差，特别是滚动件有尺寸误差时，机床主轴将产生有规律的位移。
另一方面，机床主轴回转误差产生的原因还有许多随机误差，如工艺系统的振颤对机床主轴回转的影响等。
「背景资料 综合实验一机床主轴回转误差运动测试」
实验一机床主轴的回转误差运动测试随着科学技术的飞速发展,很多行业对回转轴差动误差的测量都极为重视,例如,有许多行业的设备都需要高精度的机械零件，它们的形状误差和表面粗糙程度往往要求在0.1~０.２5μm以下。
要加工出这样高精度的机械零件,需要多方面的条件来配合才能够满足要求,其中的机床主轴的回转精度是最关键的条件之一。
而测量主轴的误差运动则可以了解机床主轴的回转状态及产生误差的原因，对机床的加工而言,它可以用来预测机床的理想加工条件下所能达到的最小形状误差,并判断产生加工误差的原因。
本实验对如何正确测量机床主轴的误差运动进行一些探讨。
一、有关的基础知识1 轴误差运动理想回转轴线——回转轴运转时，其轴心线在空间的位置稳定不变,即与空间的一条直线相重合,且无轴向的相对移动,我们就称这条固定直线为理想轴线。
但实际上，回转轴组件由于各零件的加工误差及安装误差存在，它的回转轴线在空间的位置是漂移的,并非固定不变。
那么,我们就把回转过程中实际的回转轴轴心线对理想线的相对位置的相对位移定义为回转轴的误差运动。
在实际研究中,往往根据不同的研究对象和目的，可以将理想轴线有选择地和不同的元件“固接”在一起。
例如,我们研究轴承时,可以把理想轴线和轴壳“固接”，这时的误差运动是回转过程中回转轴线对轴承壳体的相对运动,反映出轴承的回转质量,如果研究的是加工设备（如机床)，对刀具回转类机床,理想轴线可以与工件“固接”；对于工件回转加工类机床,理想轴线则可与刀具“固接”;这时主轴的回转误差运动就是刀具——工件之间的相对位移,反映出来的是加工误差。
但应注意,回转误差运动是一个复杂的合成误差，它是由几个方向的误差所组成，下面来具体分析（见图1-1）：总的来讲,实际回转轴线对理想轴线AB在每一个瞬间的相对运动可以分解为三类五个运动：纯轴向运动z(t)，纯径向运动x(ｔ)和y(t)，倾角运动α（t)和β（t)。
从分解的五种运动的特点可看出，径向误差运动r（t)是由纯径向运动x(t) 、ｙ（t) 和倾角运动α（t)、β(t)合成的结果。
超精密机床主轴回转误差在线测试与评价技术
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 ）
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 ｉｖ ｆ ｅ—ｃ ｈａ ｎ— ｎ ｅ ｌ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｄ ｏ ｆ ｉ ｆ 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 ｉｖ ｆ 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 —
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
探讨机床主轴回转生产误差测试
探讨机床主轴回转生产误差测试1 概述在机械生产的过程中，对于机床方面的加工技术中会出现多种的问题，其中包含有加工设计中出现的误差。
错误可以避免，但是误差是无法避免的，可以做到的是将误差的值调整到接近正常值的范围之内。
在机床生产中，主轴的回转方面的误差就是一项需要改进的项目。
主轴回转误差发生后，会对机械的零件加工形状和质量造成一定的影响，直接影响到机械零件表面的平滑程度。
其中主轴回转所产生的误差如下图所示：图1 主轴回转误差立体示意图主轴回转生产误差是在机床主轴运行过程中，在一瞬间回转轴线与平行轴线之间发生的水平方向和竖直方向出现的位移差，也就是通常情况下所说的误差。
其中水平轴线是在主轴运动瞬间运动趋势所得到的位移数据后，经过加权得到的平均位置。
主轴回转生产误差主要有三种具体的形式：单一水平轴向跳动、单一竖直轴向跳动和单一偏角转动。
在这三种形式当中，前两者被统一称作主轴轴向回转误差，这两者出现的误差会在机械零件加工中直接对原件后期生产造成一定的影响。
在出现主轴轴向回转误差时，纠正处理起来相对来说较为简单。
只要在主轴的端处安装有位移传感器，在机床运行过程中，主轴发生偏移就可以在传感器中现实出来，技术人员就可以根据位移误差值对机械进行调整。
同时对于机床主轴的回转生产误差值进行测试，寻找最为合适的生产模型。
下面就测试的相关技术进行研究。
2 误差分离测试技术误差分离技术是通过信息源变换或模型参数估计的方式使有用的信号分量与误差分量相分离的—种测量技术。
测量过程是：通过测量方法和测量装置的适当设计，改变误差分量与有用信号间的组合关系，并从信息源（误差分量与有用信号相混迭的信息源）的不同位置拾取信号，再根据在不同位置处拾取的信号间的联系，建立起误差分量与有用信号间的确定的函数关系，最后经相应的运算处理，使误差得以分离。
测量过程的结构模型，如下图所示：图2 误差分离技术结构模型用位移传感器进行主轴回转误差测量时，由于实际的主轴回转轴心是不可见的，不能直接对其测量，而只能通过对装在主轴上的标准件（标准球或标准棒）或主轴外围轮廓的测量来间接测得主轴轴心运动。
主轴回转精度动态测试技术研究
主轴回转精度动态测试技术研究摘要：随着磨床技术发展，对主轴回转精度的要求越来越高。
回转精度包括了轴的径向误差、轴向误差、角度误差及由此衍生出的表面误差和半径误差五种。
其中，径向误差尤其重要。
对于径向误差的动态测量及分析，我们采用了单向测量法和双向测量法，测得主轴不同转速下的同步误差值及非同步误差值，以选取主轴最佳磨削转速。
关键词：同步误差非同步误差径向误差引言自20世纪五十年代开始，我国磨床发展历程中，主轴类零件的制造精度要求一直被设计师认为能够完全实现。
因此，在制造过程中，轴类零件的几何精度要求并不是难点。
社会发展至今，由于汽车工业及计算机技术领域发展的需要，对零件的加工精度要求不断提高，甚至达到了微米级以上。
此种情况下，为了满足市场需求，生产高精度磨床就成为必然。
而主轴的回转运动误差是影响机床加工精度的主因之一。
因此，对高精度磨床的开发，研究主轴回转的动态特性具有现实的重要意义。
在日常生产中，如果磨床达不到磨削精度要求时，我们通常的做法是采取增加机床刚性、结构阻尼、改变零件几何形状以及降低磨床温升等方法来改进磨削性能。
但是，这些改进措施仅能从表面上对磨床工作精度有所改进，根本不能改变磨床的基本性能，即对提升磨床性能作用不大。
我们需要了解主轴性能，通过对主轴的动态测量，将主轴各项运动误差用数据准确地描述出来，以些为据，判断磨床的改进方向，从而准确预测及控制工件加工质量。
1 主轴运动误差在主轴动态回转特性中，通常存在三个基本误差：①径向误差；②轴向误差；③角度误差。
在此三个基本误差的基础上，又可以衍生出两个复合误差：①表面误差；②半径误差。
表面误差是由轴向误差和角度误差共同作用产生的，而半径误差是由径向误差和角度误差共同作用产生的。
对主轴精度影响最大是应该是径向运动误差。
如(图1)所示，当主轴在低速转动时，不会产生角度偏移，也不会发热，此时得到的是一个纯半径的运动误差，轴向误差与角度误差可以忽略不计，并不存在两个复合误差。
机床主轴的回转误差运动测试
实训三机床主轴的回转误差运动测试1.实验目的加工高精度的机械零件，对机床主轴的回转精度有非常高的要求。
测量机床主轴的误差运动可以了解机床主轴的回转状态，分析误差产生的原因。
通过机床主轴回转误差运动测试，要求学生：(1) 了解机床的主轴回转误差运动的测试方法。
(2) 熟悉传感器的基本工作原理。
(3) 掌握传感器的选用原则及测试系统的基本组成。
(4) 熟悉并掌握仪器的基本操作方法。
(5) 基本掌握数据处理与图像分析方法。
2．实验原理本实验使用两种方法进行误差运动测试：(1) 带机械消偏的单向法直角座标显示的误差运动测试，见本实验的背景材料中的图1-9。
(2) 电气消偏单向法圆图像显示的回转轴误差运动测试，见本实验的背景材料中的图1-13。
3．实验对象以C6140普通车床的回转主轴为研究对象，测试其在回转情况下的误差运动。
根据测试数据，用图像分析方法表示误差运动，分析误差运动产生的原因。
4．主要实验仪器和设备(1) C6140普通车床(2) 回转精度测试仪(3) 涡流测振仪(4) 信号发生器(5) 双踪示波器(6) 数字式万用表(7) 可调偏心的测量装置5．实验步骤1.1.1 5.1 带机械消偏的单向法直角座标显示的回转轴误差运动测试(1) 按照仪器的操作说明，熟悉系统所用各仪器控制面板上的旋钮、按键的作用及操作方法；(2) 按照原理框图正确地将系统中各仪器的信号线连通；(3) 调整标准盘1(作为补偿信号)和标准盘2(作为误差的测量信号)的偏心量，标准盘2的偏心量e2应尽可能小，仅稍大于被测量轴回转误差值，以保证得到信号即可，偏心量一般调整到0.03mm~0.05mm；标准盘1的偏心量e1应尽可能调大，大到使被测量轴回转误差值相对于偏心量可以忽略不计，及得到一个接近于纯偏心信号的光滑曲线，但因受涡流传感器工作间隙的限制，偏心量无法无限制地加大，一般调到0.40mm~0.60mm即可，并使e1和e2相差180o；(4) 经指导老师检查系统连接正确后，接通电源预热仪器；(5) 按测振仪使用要求调整好涡流传感器的工作间隙；(6) 调整好机床转速，启动机床；(7) 调整测振仪灵敏度，使之满足下面的关系式：e1.k1传感.k1测振仪= e2.k2传感.k2测振仪(8) 将满足以上关系式的两路输出信号经加法器(借用回转精度测试仪后面板上的加法器，此时应将总接口插板抽出)相加，在示波器上得到误差曲线，曲线上最高点与最低点的高度差即为圆度误差的相对值，曲线最大的垂直度即为粗糙度的相对值；(9) 标定，方法为：用正弦信号发生器输出一标准正弦信号，使其幅值为测振仪当前档位（如30um档）的满量程输出的电压值，将该正弦信号送入加法器输入端，在示波器上得到一幅值为A mm的正弦信号，则该测量系统的标定系数为30um/A mm；(10) 求出绝对误差=相对误差(mm)×30um/A mm；(11) 停机床、关仪器，并拆除仪器的所有连接线，整理现场。
主轴回转误差测量技术及其仪器调研报告
主轴回转误差测量技术及其仪器调研报告主轴的性能对产品质量的影响至关重要。
当认识了主轴的性能，就可以预测和控制零件的加工精度；工件的位置精度、粗糙度和表面光洁度都与主轴性能有关。
因此，工况下测量主轴的性能是很必要的，只有测量主轴回转才能从更深层面上来控制加工质量，进而加深对机床的了解。
通过测试可以优化主轴转速，通过温升曲线可获知机床的预热时间，通过冲击试验前后数据的对比分析，可检查主轴的损坏程度。
我公司此方面存在的问题目前公司机床主轴装配上只能依赖师傅经验，无法动态测试主轴回转轴心轨迹，亦无法知道机床主轴在磨削受力、温度变化的动态特性。
为提高机床产品精度，为机床主轴加工生产装配提供理论依据，此项试验研究急需开展！一、国内现状1、仪器方面目前国内仪器研制方面主要停留在软件开发方面，数据处理硬件亦无成熟稳定产品，并且需要自行配套传感器及装夹夹具和标准钢球。
主要厂家有：● 北京派莱博测头直径：测头工作面有效直径3mm测量范围：40微米～140微米（间隙）线形度：±0.05% 0.1%分辨能力：1纳米带宽： DC 500HzDC 3kHz2、应用方面国内做主轴轴心轨心测试的主要停留在高校实验室和一些研究所，还有一些飞机制造等精密主轴回转使用。
一方面夹具是自行设计，软件自行开发，另一方面是进口国外成熟的仪器。
二、国外1、仪器方面● Micro-Epsilon（德国） S601-0.2测量范围：200微米线形度：±0.2% 0.4%分辨率：8纳米带宽：6kHz（-3dB）● Lion Precision(美国) CPL290测量范围为100微米时线形度：±0.3%F.S. 0.6%分辨率：0.004% F.S.100微米X0.004%=4纳米带宽：10kHz（5%） 15kHz（3dB）● MTI Instruments(美国) AS9000分辨率：纳米级线性度：0.2%带宽：500Hz（标准）2、应用方面外国精密机床已把主轴回转误差测量作为机床精度检测必选项图为精密车床主轴回转精度检查（白色线为位移传感器，车头主轴端面装有标准钢球）三、美国LION主轴误差测量仪详细技术资料主要功能：可采集跟踪主轴瞬时转速变化、轴心轨迹、轴向位移，热变形配置：电涡流传感器及配套夹具、标准钢球及相关配套夹具、操作控制箱、处理软件。
超精密车床主轴回转精度动态测试仿真
摘要 : 该文提出了用两点误差分离法动态测试超精密车床主轴回转误差运动和基准轴圆度误差的方法 , 建立了数学模型并 进行了仿真 。仿真表明回转误差运动中的偶次分量不会影响测试精度 , 而奇次分量会影响 , 但测试原理误差主要来自三次 分量 ,而三次分量的影响很小 ,所以该测试方法切实可行 。 关键词 : 超精密车床 ; 主轴 ; 回转误差运动 ; 动态测试 ; 误差分离技术 ; 仿真 中图分类号 : TH161 文献标识码 :B
第 19 卷 第6期
文章编号 :1006 - 9348 (2002) 06 - 0096 - 04
计 算 机 仿 真
2002 年 11 月
超精密车床主轴回转精度动态测试仿真
黄长征1 , 李圣怡2
(1. 韶关大学 ,广东韶关 512005 ;2. 国防科技大学 ,湖南长沙 410073)
传感器 S 1 和 S 2 分别测得第 0 点的信号 S 1 (θ 0 ) 和 S 2 (θ 0) :
S 1 (θ 0 ) = R (θ 0 ) + e (θ 0) ) - e (θ S 2 (θ 0 ) = R (θ 0 - π 0) ( 1) ( 2)
因车床主轴回转径向误差运动有在同一方位大小不变 的性质 , 所以当主轴转过 180° 如图 1 ( b) 示 , 传感器 S 1 和 S 2 这 时所测得第 ( n/ 2) 点的信号 S1 (θ n/ 2 ) 和 S 2 (θ n/ 2 ) 分别为 :
a11 =
图3 动态测试系统总体结构图
5 测试原理仿真
( 15)
2
n
n- 1
i =0
ΔS1 (θ) ∑
i
n- 1
・ cos (θ i) ・ sin (θ i)
高速铣齿机刀具主轴回转误差动态测试
参考文献：
【1 】郑鹏， 商向东， 许秀辉， 等． 齿轮加工机床主轴回转误差 J］ ． 沈阳工业大学学报， 1998 （ s1 ） ． 的测试研究［ 【2 】商向东． 齿轮加工精度［M］ ． 北京： 机械工业出 版 社， 2000． 【3 】温熙森， 陈循， 徐永成， 等． 机械系统建模 与 动 态 分 析 ［ M］ ． 北京： 科学出版社， 2004． 【4 】宋向荣， 李建康， 席桂东． 汽车异常振动振源识别的试验 J］ ． 工程力学， 2010 ， 27 （ 9 ） ： 227 － 233． 研究［ 【5 】王济， M］ ．北 胡晓． MATLAB 在振动信号处理中的应用［ 2006． 京： 中国水利水电出版社， 【6 】周小祥， 陈尔奎， 吕桂庆， 等． 基于数字积分和 LMS 的振动 ［ J］ ． 自动化仪表， 2006， 27（ 9） ： 51 － 53． 加速度信号处理
图1
铣齿加工过程简图
［2 ］
当刀具主轴回转误差以周期性频率分量为主时， 按傅里叶级数展开，即 径向误差： ex =
1பைடு நூலகம்
刀具主轴回转误差对齿轮加工误差的影响
刀具主轴回转误差运动可分解为图 1 所示的径向 误差和轴向误差 。 其径向误差引起齿轮的径向误差， 轴向误差引起齿轮的切向误差 。
∑e
j
xj
sin j z φ + Ψ xj i
(
)
（ 1）
轴向误差：
收稿日期： 2011 － 06 － 29 基金项目： 国家科技重大专项 （ 2010ZX04011 － 032 ） ； 江苏省科技型企业技术创新资金项目 （ BC2009012 ） ； 南京市 2010 年 第二批科技发展计划 （ 201002006 ） 作者简介： 陆慧慧 （ 1987 —） ，男，硕士研究生，研究方向为数控技术。E － mail： luhuihui_1010@ 163. com。
超精密空气静压主轴径向回转误差的测试研究
超 精 密 空 气 静 压 主 轴 径 向 回 转 误 差 的测 试 研究
彭万欢 赵午云 陶继 忠 徐 刚
（ 中国工程 物理 研 究院机 械 制造 工 艺研 究所 ， 四川 绵 阳 ６ １０ ） ２ ９０ 摘 要： 对超 精 密 空气 静 压主 轴 回转误 差测 试 过程 中偏 心 的影 响和 作 用原 理进 行 了深入 分析 ， 出了消 除偏 指
关键 词 ： 空气 主轴
回转 误差
偏 心
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｔ ｔ ｎ ｌ ｒ ｒＭｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｏ ｔａ—ｐ ｅ ｉｉｎ Ａｅ ｏ ｔ ｔ ｉｄｅ ｔ ｄ ｎ Ｒｏ ａ ｉ ａ ｏ ａ ｕ ｅ ｏ Ｅｒ ｎ ｆＵｌ ｒ — ｒ ｃｓｏ ｒ ｓ ａ ｉ Ｓｐｎ ｌ ｃ
ｓｏ ｅｏ ｔｔ ｐｎ ｌ ｅ ｐｙ ｏｎ ｓｏ ｔ ｏ ｓａ ｅ ｈｌ ｌ ｎ ｔ ｇｅ ｃ ｎｒ ｉ ，ｂ ｔ ｌｏｐ ｏ ｏ ｅ ｉｎ ａ ｒｓａｉ ｓ ｉｄｅｄ ｅ ｌ ，ｐ ｉｔ ｕ ｍｅｍｉ ｋ ｓｗ ｉ ｅｉ ａｉ ｃ ｅ ｔ ｃｔ ｃ ｓ ｔ ｅ ｍｉ ｎ ｉ ｙ ｕ ｓ ｒｐ ｓｓ ａ
力集 中在改 进测 量 工艺 、 研究 新 的测 量原 理上 面 ， 忽 却 略 了测试 信 号 中 占主要成 分 的偏 心所 产生 的影 响 。本 文首 先 对超 精密 空 气静 压主 轴 回转误 差测 试过 程 中偏
支承元件 。气体润滑轴承以其 自 身的优点及工业发展 的需要 ， 在诸如精密机械 、 食品轻纺 、 核工业 、 光磁记录 设备 、 航空航天等领域都得到 了成功 的应用 ， 尤其在航 天仿真和精密加工测量领域 中， 气体润滑轴承有着非
空 气 主轴是 采用 气 体 作 为 润 滑 介 质 ， 轴 承 的活 在 动面 与静止 面触 的理 想 使
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精密主轴回转误差在线动态测试技术研究摘要：精密主轴回转误差的测量是控制精密机床的主要技术手段，主轴回转误差的大小能够直接应该到机床工作的情况，目前使用的精密机床为了减少误差，都使用气体和液体的静压轴承作为主轴，虽然这种技术可以大幅度降低主轴回转带来的误差，但是由于现代化的机床通常都采用自动化的系统进行管理，必须对主轴回转误差在负载状态进行测量，但是在实际的测量中，所测量的主轴回转误差很容易参杂进一些被测件的误差，在机密仪器的测量中，这些误差是不能被忽略的，在此基础之上很多专家和学者都对精密主轴回转误差的测量进行了研究，本文就通过介绍两点误差分离动态测试法原理，引出如何处理测量到的数据，最后对软件仿真和测量系统的构成进行简要的分析，希望能给主轴回转误差的动态测试技术实际应用提供一些参考。
关键字：精密；主轴回转误差；动态测试技术1前言制造技术可以直接影响到一个国家经济的发展和国家的综合竞争力，目前的美国和日本等工业发达国家，其制造技术是非常先进的，而且对制造技术研究的投入也非常巨大，通过这种先进的制造技术，其生产的效率和加工的质量都被大幅度的提高了，同时对员工工作的强度、工作的环境都有一定的改善作用，提升了整个企业的市场竞争力，通过分析发现，目前的制造技术正在向精密、高速、自动化、高能束方向发展。
其中的精密加工技术起源与上世纪60年代末期，当时为了适应科技发展的需要，这种精密加工的精度通常都在0.1到0.01微米左右，表面的粗糙度在0.03到0.005微米之间，因此精密加工技术也被称之为亚微米级加工技术，而随着航天技术和微处理技术的发展，精密加工已经开始向纳米级别发展，现代的国际竞争中，精密加工技术已经成为企业成功的关键性技术之一。
在实际的加工过程中，由于力学上的特殊原因，主轴在转动的过程中，不可能保持在一个位置转动，只能是在一个平均的轴线上进行往复的转动，这个往复转动的过程就是回转运动，由于会进行回转运动，在主轴工作的过程中就必然会产生一些误差，尤其是精密的机床中，这种看似很小的误差会引起很大的后果，通过分析发现，主轴回转误差通常是由径向、轴向、角度三个误差组成的一个综合性的误差，通常情况下，主轴回转的误差是由这三个误差共同造成的，通过多次实验结果表明，在圆度误差中，有超过一半的误差是由于主轴回转误差导致的，而且主轴回转误差在圆度误差中所占的比例，会随着主轴精度的提高而提高，通过对精密主轴回转误差的测试，可以对机床在理想的工作环境下能达到的最小误差的，这个测试的结果为机床补偿控制提供了重要的参考，还可以判断出加工误差产生的原因，由此可见，对精密主轴回转误差的测试技术，尤其是在线动态测试技术的研究，有重要的应用意义。
2两点误差分离动态测试法原理对于精密主轴回转误差的测量，是控制精密设备的关键技术，目前使用较多的主要有两点法和三点法等，但是在三点误差分离动态测试法中，必须要使用三个传感器，同时对机械测试装置等加工精度要求很高，在安装和调试过程中都不是很方便，因此，本文对精密主轴回转误差在线动态测试技术的研究主要对两点误差分析动态测试法进行研究。
在进行主轴回转误差运动的测试时，其依循的原理如图2-1所示，图中的S1和S2分别代表两个传感器，其分布是圆周方向上相隔180度对称，在车床主轴回转时，两个传感器的位置不动，同时采集到主轴回转的信号，采集到这些数据之后，通过消除偏心的措施和误差分离技术，就能够得到主轴的回转误差，同时还能够得到测试轴的圆度误差。
图2-1 两点误差分离动态测试原理示意图这个过程的主要原理是，先选取两个特性比较接近的电容式微唯一传感器S1和S2，按照图2-1所示的原理进行布置，然后在传感器转一圈设定一个采样点，每个传感器采集到的信号应该包括被测主轴的回转误差信号e（θ）和主轴圆轮廓信号R（θ），在初始的测试位置应该如图2-1中的a所示，测试轴随着主轴转动，两个传感器S1和S2分别采集到第0个点的信号，其计算的公式为：S1(θ0)=R(θ0)+e（θ0）（1）S2(θ0)=R(θ0-PI)-e（θ0）（2）如果主轴转过了180度，如图2-1中的b所示，两个传感器S1和S2就测得第（n/2）点的信号，具体的计算公式为：S1(θn/2)=R(θ0-PI)+e（θ0）（3）S2(θn/2)=R(θ0)-e（θ0）（4）通过上面的公式（1）和公式（4）就能够计算出，主轴在第0点的回转误差信号e（θ0）和圆轮廓信号R(θ0)，计算的具体过程为：e（θ0）=[ S1(θ0)- S2(θn/2)]/2 （5）R(θ0)= [ S1(θ0)+ S2(θn/2)]/2 （6）计算出主轴在第0点的回转误差信号和圆轮廓信号之后，就可以从上面的两个式子推导出e（θ0）和R(θ0)的前半圈各点的值是由传感器S1前半圈和S2后半圈的值求得的，由此可以推出e（θ0）和R(θ0)后半圈的值，应该是由传感器S1的后半圈和S2的前半圈求得，具体的计算过程为：当i=0～（（n/2）-1）时e（θi）=[ S1(θi)- S2(θi+n/2)]/2 （7）R(θi)= [ S1(θi)+ S2(θi+n/2)]/2 （8）当i=（n/2）～（n-1）时，e（θi）=[ S1(θi)- S2(θi-n/2)]/2 （9）R(θi)= [ S1(θi)+ S2(θi-n/2)]/2 （10）3测试数据处理数据处理是精密主轴回转误差在线动态测试技术中重要的一个环节，一般情况下都采用图3-1的流程，对数据进行处理。
图3-1 测试系统数据处理流程3.1求测量点数据的平均值两个传感器在第i 点测量数据平均值的计算方法为：()()∑==+=1m 0j m *j i 1i 1m 1θθS S （11） ()()∑==+=1m 0j m *j i 2i 2m 1θθS S （12）上式中的S 1(θi+j*m )和 S 2(θi+j*m )为两个传感器S1和S2在第i 个策略点的测量数据，n 为每转一圈后测量点的个数，而m 就是一共测量的圈数。
3.2求残余误差和消除常数项两个传感器S1和S2在第i个策略点的策略数据残余误差的计算方法为：（13）（14）3.3消除被测试轴安装偏心对测量结果的影响在数据的处理过程中，如果先进行消除偏心误差的处理，后进行误差的分离，可以有效的提高误差分离的精度，传感器S1测量数据的一次傅立叶系数为：（15）（16）传感器S2所测得数据的一次傅立叶系数为：（17）（18）经过消除偏心误差之后，两个传感器S1和S2所测得的数据分别是：（19）（20）3.4分离出测试棒的形状误差，求得主轴的回转误差信号分离测试棒的形状误差是精密主轴回转误差测试中的主要一个环节，通过分离误差，就可以对主轴回转误差信号进行计算，具体的计算公式为：（21）同时还可以计算出测试轴的圆度误差信号，计算公式为：（22）在计算完这些数据之后，就可以根据相关的误差运动计算公式，求出主轴回转误差和圆度的误差。
4测试原理仿真仿真分析是一种高效、低成本的研究方法，通过软件的仿真分析，不仅可以节省出硬件的投资，同时也能够节省时间，最早的发现系统存在的问题，在仿真分析中，可以根据仿真的需要设置多个动态变量，对问题能够了解的更加深入，也能从多个角度验证理论，在一些危险性高、难度大、时间长的实验中，仿真分析方法更是因为其自身的优点而无法替代，本次对主轴回转误差在线动态测试进行仿真分析时，采用了一个基于Maltlab开放仿真系统，在该仿真系统上，对该精密主轴回转误差在线动态测试技术进行了仿真测量。
通过软件的仿真可以知道，主轴回转误差运动中的偶次分量与测试的结果没有任何关系，而奇数次的分量对测试的结果有影响，会带来系统误差，但是其中的一次分类可以通过消除偏心误差处理，从而消除奇次分量带来的系统误差，而且不会给工件加工形状的误差评定带来影响。
通过详细的分析发现，精密主轴回转的误差主要是由一些低次分量组成的，虽然也有一些高次分量，但是比例很小，在实际的计算过程中，可以忽略不计。
在所有的误差中，直流的分量和一次的分量可以通过技术手段进行消除，而测试过程总的二次和四次的误差主要是来此三次分量，但是在主轴实际的回转过程中，主要的分量是二次分类，三次分量的比例很小，不能够对测试的结果产生足够的影响，因此，可以采用这种方法进行精密主轴回转误差的测量。
5测试系统的构成精密主轴回转误差测试系统的整体构成如图5-1所示，测试系统主要由测试轴、测试架、传感器、计算机等构成。
图5-1 精密主轴回转误差测试系统总体结构图在实际的测量过程中，应该先把精加工后的测试轴锥端放入到车床的主轴锥孔中，然后应该把测试轴被测的部分最大程度的磨光，这样可以有效的减少由于测试轴表面的不光滑带来的误差，同时还能够减少由于测试轴安装不当造成的偏心误差，从整体上提高了测试的精度。
S1和S2两个传感器应该放置在测试架上面，两个测头的表面应该和测试轴保持一定的距离。
两个传感器在采集到了电压信号送入的模数信号后，采样板开始技术采样。
在测试轴的中间装置了一个码盘，而且码盘的外圈有一个漏光槽，这个漏光槽和光电转换装置相对应，码盘外的漏光槽随着主动的转动而转动，漏光槽发生转动带动了光电转换装置的工作，光电转换装置在工作时，会产生一个脉冲信号，这个脉冲信号通过一系列的整形电路之后，会产生一个中断信号，从而控制采用信号的终端，在采用完成之后，就可以通过计算机对测试信号的处理。
6结论通过本文的分析发现，主轴的回转误差是精密机床的关键性技术，主轴回转误差的大小直接能够影响带到机床加工工件的治疗，因此，主轴回转精度已经成为了衡量一个机床动态性能的重要指标，随着科技的发展，现代的精密机床的主轴精度已经进入到了纳米的时代，主轴的回转的高精度特性给传统的测量回转误差带来了困难，但同时也推进了精密主轴回转误差测试技术的发展。
本文对精密主轴回转误差在线动态测试技术进行深入的理论分析，对软件仿真和测试的系统实际的应用进行了一定的研究，通过研究出的这种准确、有效的主轴回转误差测试系统，给出了测量和计算精密主轴回转误差在线动态测试技术的具体方法，本文讨论的测量方法和传统的测量方法相比有很多自身的优点。
首先就是测试的系统安装非常简单，测量的方法也灵活，在安装的过程中需要一些精密的安装工具，对安装的要求也相对简单，，其次是通过两个传感器共同工作，提高了测量的精度。
相信随着加工技术和计算机技术的发展，对于精密主轴回转误差在线动态测试技术的研究也会越来越先进，测量的方法也会越来越简单。
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