主轴运动精度的测试与研究

论文摘要

高速数控机床技术水平的高低和拥有量的多少是衡量一个国家制造业水平高低的标志。主轴单元是决定高速机床高速高精度性能的基础和关键。高速电主轴是高速机床的基本结构单元，在工具零件的制造过程当中，主轴组件的性能是影响工件加工品质与生产效率及其重要的关键因素。主轴回转误差是主轴最关键性能参数之一。因此主轴精度的测试，一直是各国学者研究的重点问题。在如今的工程设计领域，测试分析是验证设计优劣、变更设计的参考依据。在如今的装配业领域，测试分析是验证组装优劣的依据，并且作为提升产品性能的参考。在客户群中，测试分析的结果与需求相比较之下，可以作为购买机械设备的参考。主轴回转精度的测量不可避免会混入被测件本身的形状误差，而对于高精密主轴回转精度的测量，混入的形状误差不能忽略，因此主轴回转精度测量技术的研究焦点在于误差分离技术的研究。本课题以机床主轴与高速精密电主轴作为研究对象，在对三种主要误差分离技术深入研究的基础上，结合高速高精密主轴工作的新特性，开发了一种基于数理统计法误差分离技术的简便、准确、能用于工况状态下进行回转误差实时动态测量的系统，阐述了数理统计法误差分离技术的理论，给出了完整的测量方法及具体的数据处理方法。根据数理统计法误差分离技术测量方法的要求，正确选择满足测量要求的组件，搭建了一套适用于高速高精度主轴回转精度测量的硬件系统；基于虚拟仪器技术，以LabVIEW8.5为开发平台，同时以采样定理、滤波等基本理论为依据。在该仿真系统上，应用数理统计法误差分离技术分别对随机性和周期性主轴回转误差进行了仿真测量研究，根据仿真测量结果观察数理统计法误差分离技术的分离效果。另外，研究了统计转数对测量结果精度的影响规律。在高速主轴回转误差动态测试系统上对北京工业大学机械制造技术实验室的机床主轴和高速精密电主轴进行回转误差的测量实验研究，通过对测量数据的分析评定并与美国API公司的SPN300主轴误差测量仪测试结果进行比对，评价自行开发的基于数理统计法误差分离技术系统的有效性及测量方法的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 转子回转误差的主要概念和基本问题
• 1.2.1 转子回转轴线的定义
• 1.2.2 转子回转误差运动的定义
• 1.3 主轴回转误差对加工精度的影响
• 1.3.1 纯径向跳动对加工精度的影响
• 1.3.2 纯轴向窜动对加工精度的影响
• 1.3.3 纯角度摆动对加工精度的影响
• 1.4 主轴回转误差的国内外研究现状
• 1.5 本课题来源及主要研究内容与意义
• 1.6 本文结构
• 第2章 主轴回转误差测量方法与理论
• 2.1 主轴回转误差的测量方法
• 2.1.1 打表测量法
• 2.1.2 单向测量法
• 2.1.3 双向测量法
• 2.1.4 CCD 测量法
• 2.2 圆度误差
• 2.2.1 圆度误差的几何特征
• 2.2.2 圆度误差的评定方法
• 2.3 主轴回转误差的评定方法
• 2.4 误差分离技术
• 2.4.1 反转法
• 2.4.2 多点法
• 2.4.3 多步法
• 2.4.4 回转误差分析中存在的问题总结
• 2.5 主轴回转误差成份分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 数理统计法回转误差分离技术及其仿真分析
• 3.1 数理统计法主轴回转误差测量技术
• 3.1.1 数理统计法的数据处理
• 3.1.2 数理统计法的适用范围及特点
• 3.2 数理统计法误差分离技术的仿真系统介绍
• 3.2.1 仿真系统实现原理
• 3.3 主轴回转误差测量的仿真分析
• 3.3.1 周期性主轴回转误差的仿真测量
• 3.3.2 统计转数对测量精度影响的仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速主轴回转误差的测试
• 4.1 测试系统硬件构成
• 4.1.1 测试对象
• 4.1.2 NI 数据采集卡
• 4.1.3 电涡流微位移传感器
• 4.1.4 周时钟发生器及划定每转采样点
• 4.2 测试系统软件设计
• 4.2.1 虚拟仪器与LabVIEW
• 4.2.2 软件功能与程序流程
• 4.3 回转误差试验实施
• 4.3.1 实验方案
• 4.3.2 实验调试
• 4.3.3 实验数据与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 SPN300 回转测量仪简述
• 5.1 SPN300 硬件组成及功能
• 5.2 SPN300 软件构成及操作
• 5.3 SPN300 对机床主轴测试试验
• 5.4 本章小结
• 第6章 回转误差试验可信度评定
• 6.1 回转误差轨迹图评定
• 6.2 径向回转误差及轴向误差数据评定
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢