高精密機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差在線測(cè)試系統(tǒng)
2016-12-28 來(lái)源：中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所 作者：周繼昆, 張榮, 凌明祥, 張毅
摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的在線實(shí)時(shí)測(cè)量,根據(jù)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用標(biāo)準(zhǔn)球及外基準(zhǔn)測(cè)量方法間接對(duì)機(jī)床主軸徑向位移進(jìn)行測(cè)量,并利用三點(diǎn)法誤差分離算法將主軸圓度誤差與回轉(zhuǎn)誤差分離,得到純回轉(zhuǎn)誤差。依據(jù)所提出的測(cè)試方法,基于PXI 總線數(shù)據(jù)采集技術(shù)建立測(cè)試系統(tǒng)硬件部分,并利用PXI 外部時(shí)鐘同步采集卡實(shí)現(xiàn)主軸徑向位移信息的等角度同步采樣；在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境下,開發(fā)在線測(cè)試軟件,對(duì)回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行在線分離。利用該系統(tǒng)對(duì)某機(jī)床進(jìn)行在線測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,測(cè)試系統(tǒng)可以在線將機(jī)床主軸純回轉(zhuǎn)誤差從徑向位移信息中分離出來(lái),并達(dá)到較高的測(cè)試準(zhǔn)確度。
關(guān)鍵詞：精密機(jī)床；主軸回轉(zhuǎn)誤差；在線測(cè)試；三點(diǎn)法；標(biāo)準(zhǔn)球；外基準(zhǔn)測(cè)量
0.引言
主軸回轉(zhuǎn)誤差是衡量機(jī)床性能的重要指標(biāo),也是影響加工準(zhǔn)確度的重要因素[1-2]。主軸回轉(zhuǎn)誤差是一個(gè)二維平面運(yùn)動(dòng)位移量,當(dāng)測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)入亞微米甚至納米級(jí)時(shí),混入測(cè)量數(shù)據(jù)中的形狀誤差、表面粗糙度就會(huì)凸顯出來(lái),甚至?xí)谏w掉主軸微小的回轉(zhuǎn)誤差[3],需采用一定的分離方法才能提取回轉(zhuǎn)誤差。
常用回轉(zhuǎn)誤差分離方法有反向法[4]、多點(diǎn)法[5]、多步法[6]等；其中,三點(diǎn)法誤差分離技術(shù)相對(duì)成熟,且適用于在線回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試[7-8]。目前已有研究都是以機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為測(cè)試條件,并未考慮在不同轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速控制存在一定偏差的情況下在線測(cè)試主軸回轉(zhuǎn)誤差[1,3,5]。
本文根據(jù)三點(diǎn)法回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量分離理論[9-10],設(shè)計(jì)了固定位移傳感器夾具和測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)球；基于PXI 總線技術(shù)搭建測(cè)試系統(tǒng),利用PXI 外部時(shí)鐘同步采集卡實(shí)現(xiàn)主軸徑向運(yùn)行信息的等角度同步采樣；在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境下,開發(fā)測(cè)試回轉(zhuǎn)誤差在線測(cè)試軟件,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的正確性和有效性。
1.測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文測(cè)量對(duì)象為一臺(tái)高精密機(jī)床,由于機(jī)床在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮為主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量預(yù)留相關(guān)機(jī)械接口；因此,首先應(yīng)根據(jù)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合適的夾具來(lái)安裝位移傳感器以及標(biāo)準(zhǔn)球。
為在線測(cè)得機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差,本文采用“標(biāo)準(zhǔn)球+三點(diǎn)外基準(zhǔn)非接觸式”測(cè)試方法對(duì)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行測(cè)量。首先在機(jī)床主軸上安裝標(biāo)準(zhǔn)球,機(jī)床為一圓柱體,由位于軸心的機(jī)床主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。由于無(wú)法直接測(cè)量主軸徑向運(yùn)行信息,將圓柱體形標(biāo)準(zhǔn)球固定在主軸上,且其軸心線與主軸延長(zhǎng)線重合。
本文采用電容測(cè)微儀測(cè)量主軸徑向運(yùn)動(dòng)信息,電容測(cè)微儀可達(dá)到納米級(jí)準(zhǔn)確度的位移測(cè)量?；谌c(diǎn)法設(shè)計(jì)的夾具及電容測(cè)微儀安裝的位置如圖1所示。
圖1 電容測(cè)微儀安裝效果圖
3只電容測(cè)微儀按照一定的角度固定在夾具上,且電容測(cè)微儀到夾具圓心的位置可調(diào)；其中,電容測(cè)微儀的量程均為250μm,最小分辨力為0.01μm,絕對(duì)誤差≤±0.05%。采用外基準(zhǔn)測(cè)量的方法對(duì)主軸徑向運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行測(cè)量,其中1# 電容測(cè)微儀與2# 電容測(cè)微儀之間的夾角為90°,1# 電容測(cè)微儀與3# 電容測(cè)微儀之間的夾角為157°,并按圖中虛線箭頭所示建立直角坐標(biāo)系。則3 只電容測(cè)微儀輸出的位置信息可表示為
去掉式(1)~式(3)中的直流分量,再利用三點(diǎn)法誤差分離算法即可求出主軸回轉(zhuǎn)誤差。
2.測(cè)試系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
2.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
由式(1)~式(3)可以看出,為在機(jī)床不同轉(zhuǎn)速下在線分離主軸回轉(zhuǎn)誤差,必須在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)主軸徑向運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行等角度采樣；這樣才能保證在不同轉(zhuǎn)速下,每圈對(duì)主軸徑向運(yùn)動(dòng)信息的采樣點(diǎn)數(shù)一致。為此,本文將機(jī)床主軸光柵A 脈沖信號(hào)k 次分頻后作為數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘信號(hào),由于光柵A 脈沖頻率的高低與主軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)；因此,即使在機(jī)床轉(zhuǎn)速存在一定偏差的情況下也可以保證每圈采樣的點(diǎn)數(shù)相同。同時(shí),利用光柵Z 脈沖作為采樣起始觸發(fā)信號(hào),即可保證每次采樣的初相位一致。測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示,將光柵的Z 脈
圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖
沖信號(hào)通過(guò)整形電路變換為建立時(shí)間和保持時(shí)間均滿足觸發(fā)脈沖要求的信號(hào),送入PXI 多功能同步數(shù)采卡的PFI0 外部觸發(fā)源輸入口,作為測(cè)試任務(wù)的信號(hào)采集起點(diǎn)時(shí)刻。同時(shí),將光柵的A 相脈沖信號(hào)經(jīng)k 次分頻后送入數(shù)采卡的PFI1 作為采樣時(shí)鐘,其中分頻系數(shù)k 由每圈采集的點(diǎn)數(shù)確定。3 只電容測(cè)微儀的輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送入采集卡AI 端口。
2.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
利用三點(diǎn)法進(jìn)行主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試的軟件設(shè)計(jì),主要解決數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、誤差分離算法具體實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題,主要功能模塊與流程設(shè)計(jì)如圖3 所示。
圖3 軟件功能模塊與數(shù)據(jù)流
圖中,參數(shù)設(shè)置主要包括每圈采樣點(diǎn)數(shù)N、采樣圈數(shù)M、采樣模式等。采集控制主要包括數(shù)據(jù)采集任務(wù)與計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)任務(wù)的同步控制、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的線程運(yùn)行控制,確保測(cè)試時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定不丟失采樣點(diǎn)。數(shù)據(jù)緩存是在程序中開辟動(dòng)態(tài)內(nèi)存,并通過(guò)多線程的合理設(shè)計(jì),將多幀數(shù)據(jù)按時(shí)序緩存,為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。
圖4 安裝后的夾具
在主軸回轉(zhuǎn)誤差的動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中,測(cè)試數(shù)據(jù)主要包括測(cè)試系統(tǒng)硬件本身引入的隨機(jī)誤差和主軸的表面粗糙度引起的誤差,這兩種誤差雖然很小,但卻會(huì)影響最終系統(tǒng)的測(cè)試準(zhǔn)確度,不能忽視。對(duì)此,采用多圈數(shù)據(jù)平均消除隨機(jī)誤差,然后去掉信號(hào)中的直流分量即可得到主軸徑向運(yùn)動(dòng)信息。最后利用三點(diǎn)法誤差分離算法計(jì)算回轉(zhuǎn)誤差。所有模塊都在LabVIEW 環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
將圖1 所示夾具套在標(biāo)準(zhǔn)球外,如圖4 所示,然后調(diào)節(jié)電容測(cè)微儀到標(biāo)準(zhǔn)球的初始距離(一般在電容測(cè)微儀量程的50%左右),安裝完成后即可對(duì)機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行在線測(cè)試。
分別在30r/min 和60r/min 的轉(zhuǎn)速下,對(duì)機(jī)床的回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行在線測(cè)試。設(shè)每只電容測(cè)微儀每圈采
圖5 主軸原始回轉(zhuǎn)曲線
圖6 原始曲線經(jīng)處理后數(shù)據(jù)
圖7 分離后的回轉(zhuǎn)誤差與圓度誤差
集的點(diǎn)數(shù)為1250、每次測(cè)量時(shí)采集5 圈主軸回轉(zhuǎn)數(shù)據(jù), 在30r/min 轉(zhuǎn)速下電容測(cè)微儀所測(cè)主軸原始徑向運(yùn)動(dòng)信息如圖5 所示。從圖中可以看出,原始信號(hào)中包含由于安裝偏心差帶來(lái)的一階諧波和隨機(jī)噪聲
帶來(lái)的高次諧波,采用多圈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)平均的方法可以有效消除隨機(jī)噪聲的干擾[10]。實(shí)際每圈采樣點(diǎn)數(shù)為20 000 個(gè),這是由現(xiàn)場(chǎng)電池干擾造成的；為了得到每圈1250 個(gè)點(diǎn)的主軸運(yùn)動(dòng)信息,在原始數(shù)據(jù)中每隔7 個(gè)點(diǎn)提取一個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn),然后對(duì)5 圈數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)平均,再除去數(shù)據(jù)中的直流分量后得到如圖6所示的波形。
從圖可以看出,經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)較為平滑,其一階諧波分量較大,為安裝標(biāo)準(zhǔn)球時(shí)的偏心差。根據(jù)文獻(xiàn)[1],主軸的回轉(zhuǎn)誤差和圓度誤差主要集中在主軸運(yùn)動(dòng)信息的2~50 次諧波；因此,進(jìn)行三點(diǎn)法誤差分離前,先利用傅里葉變換方法將一次諧波和50 次以上諧波濾除,再利用三點(diǎn)法誤差分離算法[9-10]分離后的圓度誤差和回轉(zhuǎn)誤差如圖7 所示。由圖可知,該機(jī)床的回轉(zhuǎn)誤差在±1.5 μm 以內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差在±1μm以內(nèi),不同轉(zhuǎn)速下得到的結(jié)果基本一致,且測(cè)試結(jié)果與機(jī)床指標(biāo)相符。
4.結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的高準(zhǔn)確度在線測(cè)試問(wèn)題,設(shè)計(jì)了測(cè)量所需的標(biāo)準(zhǔn)球和夾具,基于LabVIEW和PXI 總線搭建了測(cè)試系統(tǒng),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟硬件。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,本文設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到了在線亞微米級(jí)測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
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