主軸動態精度測試與分析
2020-2-28 來源： 大連理工大學 ，精密與特種加工實驗室 作者：劉志松，劉闊，王永青，吳嘉錕，況康
摘要: 主軸動態誤差對加工精度有至關重要的影響，針對主軸動態誤差進行了試驗與分析。介紹了主軸動態誤差的概念，采用主軸動態誤差分析儀對主軸動態誤差進行了采集，采集的數據包括主軸徑向平均誤差、徑向異步誤差、軸向平均誤差、軸向異步誤差以及軸向最小間隙。對某型號同類型三臺立式加工中心分別進行了多轉速情況下的測量，對比并分析了三臺立式加工中心的測量結果。在轉速為 7 500 r/min 時，三臺立式加工中心徑向異步誤差分別為 70、15、15 μm; 在轉速升至 6 000 r / min 之后主軸最小徑向間隙均有較大提升。試驗結果表明: 主軸動態精度受到機床工況和轉速共同影響; 在高速轉動情況下，主軸徑向最小間隙增大明顯; 加工時要根據工況合理安排轉速，以保證加工質量。
關鍵詞: 主軸; 動態誤差; 徑向誤差; 軸向誤差
0 前言
主軸作為精密加工機床的核心部件，影響著機床加工精度。機床的工作性能和壽命都會受到主軸動態誤差的影響。加工工件的圓度、表面粗糙度和平面度都與主軸有關。通過對主軸動態精度進行測試和分析，為進一步提高機床的加工精度，研發改良型號的機床提供數據支持和理論保障。因此，主軸的動態誤差測試具有重要意義。
國內外很多學者對主軸動態誤差進行了大量的研究。孫艷芬［1］介紹了主軸回轉誤差的概念及其基本形式，分析了它對加工精度的影響。王瑩等人［2］對主軸系統動態誤差和熱漂移誤差進行了測試與分析。朱永生等［3］對主軸動態回轉誤差進行了實驗研究，測試分析了主軸回轉誤差受轉速的影響。許穎等人［4］研究了主軸轉速和溫升對主軸動態誤差的影響。劉闊等人［5］在不同的轉速下對主軸的動態誤差進行了測試，并對主軸動態誤差隨轉速的變化進行了分析; 包麗等人［6］結合模態對加工中心主軸動態誤差進行了研究。靳嵐等人［7］同時在兩個方向上對主軸的回轉誤差進行動態測試。
以上研究對于主軸動態誤差研究有著很大實用價值，實驗往往對單一機床在一種測試方法下對主軸進行動態測試，缺乏對比，沒有考慮到安裝、工況對主軸精度的影響，不能發現同一類型機床產品主軸動態精度變化的普遍規律。文中對同一批次、同一型號的 3 臺立式加工中心，分別對主軸動態誤差進行測試。主軸的動態誤差測試主要包括徑向動態誤差、軸向動態誤差、最小徑向間隙。綜合比對、分析 3 臺機床數據異同，找出主軸動態誤差較大的普遍原因，以提高主軸工作運行的平穩性和加工精度。
1 、主軸動態誤差概念及其影響因素
主軸動態誤差就是主軸在一定轉速工作下的回轉誤差，機床主軸回轉是機床最基本的成型運動，是決定工件圓度的主要因素之一。主軸回轉精度可以定義為: 主軸回轉線在回轉時相對于其平均周線的變動量在誤差敏感方向的最大位移［8］。它可以是徑向跳動、軸向跳動或擺動，如圖 1 所示。一般情況下 3 種誤差同時存在，并相互疊加，影響主軸精度。
圖 1 主軸回轉誤差
在測量軸向和徑向誤差時分別測量異步誤差和平均誤差。平均誤差是總誤差運動的平均輪廓線，主軸旋轉的平均運動軌跡，與轉速 “同步”，影響加工工件的圓度; 異步誤差是總誤差運動對于平均誤差運動的偏離，是主軸旋轉時隨機變動的運動軌跡，影響加工工件表面的粗糙度［3］。
影響主軸回轉誤差的因素有很多種。機床的主軸是以其主軸頸的前后兩個軸承相配合而回轉的，因此影響回轉精度的重要因素是主軸的精度、軸承的精度和床頭箱主軸孔的精度。
2 、主軸動態誤差測試
目前測試機床主軸誤差的方法主要有靜態測試法和動態測試法［9］。立式加工中心主軸最高轉速為8 000 r/min，常用的千分表 ( 靜態測試法) 測主軸回轉誤差已經不適用，并且它還無法分離出異步誤差和同步誤差。文中采用 API 主軸動態誤差分析儀對主軸的動態誤差進行測試。該測試系統包括電容式傳感器、傳感器安裝架、信號采集器、數據采集及分析軟件等。動態誤差的采樣速率為 256 000/s，可以滿足高轉速的動態誤差采集。
主軸動態誤差主要由同步誤差和異步誤差組成，兩者分別影響機床加工件的圓度和表面粗糙度。文中采用的誤差分析儀可以將兩者區分，更準確地分析主軸動態誤差以及其對應的原因。測試現場圖如圖 2 所示。控制機床轉速在 50、100、300、500、750、1 000、1500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500、6 000、6 500、7 000、7 500、8 000 r / min 的情況下，分別測試主軸動態誤差，每種轉速下測試 3 次。
圖 2 主軸動態誤差測試現場圖
3 臺被測試的機床采用升速至測試轉速→測試→升速至下一測試轉速→測試的測試方法; 圖 3 為測試方案下機床主軸轉速在 300 r/min 時的測試結果。
圖 3 轉速為 300 r/min 時的主軸動態誤差
將測試方案中不同轉速下，對 3 臺立式加工中心的徑向異步誤差、徑向平均誤差和最小徑向間隙進行統計，3次測量結果取平均值，其結果如圖 4—6 所示。
圖 4 立式加工中心Ⅰ主軸動態誤差測試
圖 5 立式加工中心Ⅱ主軸動態誤差測試
圖 6 立式加工中心Ⅲ主軸動態誤差測試
3 、數據處理與誤差分析
為了方便對比 3 臺機床主軸的誤差情況，利用 MAT-LAB 繪圖，將不同機床同一類型誤差繪制在同一張圖片中，對比 3 臺機床主軸各項誤差，分析其可能原因及影響，如圖 7—11 所示。
圖 7 3 臺加工中心主軸徑向異步誤差比較
圖 8 3 臺加工中心主軸徑向平均誤差比較
圖 9 3 臺加工中心主軸軸向異步誤差比較
圖 10 3 臺加工中心主軸軸向平均誤差比較
圖 11 3 臺加工中心主軸最小徑向間隙誤差比較
從以上圖表中對比發現: 同一型號、批次的機床主軸誤差存在較大差異。以轉速 7 500 r/min 情況下的徑向誤差為例，立式加工中心Ⅰ的徑向異步誤差為 70 μm，而立式加工中心Ⅱ和立式加工中心Ⅲ的徑向異步誤差都在 15 μm 左右，相差了約 5 倍。
3 臺立式加工中心的徑向誤差存在較大差異，不僅表現在個別轉速下的誤差區別，而且在總體變化趨勢上也有不同之處。如轉速為 6 000 r/min 之后，立式加工中心Ⅰ的徑向誤差有了較大的升高，而另外 2 臺立式加工中心的徑向異步誤差提升并不明顯。這說明，同一型號的機床由于安裝、工況等因素的不同，徑向精度會有較大區別，變化規律也不一樣。良好的安裝、工況可以提升主軸的徑向精度，進而可以提高加工精度。
軸向精度方面，三者在不同轉速下的誤差以及變化趨勢方面比較接近、一致，說明軸向的誤差對于轉速、安裝、工況等影響因素不太敏感，精度保持相對穩定。當然 3 臺機床也有總體表現出一致的趨勢時，在轉速升至 6 000 r/min 之前，主軸最小徑向間隙表現一致;而在轉速升至 6 000 r/min 之后，有著較大的提升。這有可能是轉速提高帶來溫升使得主軸的軸承與主軸發生了膨脹，而兩者熱膨脹系數不一致，導致了間隙的增大。
4 、結束語
文中對多轉速下主軸的動態誤差進行了測試，測試了多臺機床，并對 3 臺立式加工中心測得的數據進行了詳細對比。采用動態誤差儀分別測試了加工中心主軸的徑向平均誤差、徑向異步誤差、軸向平均誤差、軸向異步誤差以及最小徑向間隙，列出了測試的數據曲線。通過對多次測量數據平均值作圖，對比分析了 3 臺機床的誤差異同。同種類型、型號的機床徑向誤差可能會有較大的差別，變化規律也不盡一致; 軸向誤差三者接近。
并給出了可能的原因，機床在型號、批次一致的情況下，還要受到安裝和工況的影響。另外轉速升至 6 000 r/min之后，徑向誤差均有不同程度的增大。測量方案及結果對今后主軸動態誤差測試、分析具有較強的參考價值。
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