大轴圆度、跳动临床测量方法及仪器.pdf

为克服传统测量方法的不足之处，提高测量精度，并能在加工的过程同时进行测量，本发明提出一种大轴圆度误差及跳动临床测量方法以及实现此方法的测量仪器。其目的在于能在加工现场同时对大轴进行圆度误差、径向跳动、端面轴向跳动的高精度测量。

本发明提供的一种大轴圆度误差及跳动测量方法是利用误差分离技术原理，采用两个以上传感元件对加工过程中的被测件的不同位置进行同时测量，然后对所得信号进行实时处理显示。该测量方法包括以下内容：①采用三个传感器，该三个传感器设置采用半包围大轴外圆的方式，用付立叶变换进行谐波分析的误差分离技术测量圆度误差以及同三点测值取平均值法测量径向跳动;②测量端面跳动采用二个传感器，该传感器设置在轴端面边缘的同一圆周上，两传感器的距离调至能等分该圆周长;③采用光电开关信号为采样起始及终止信号;④在被测轴转动一圈内连续密集采样，取等分角度间隔点的方式，采得数据经电路处理单元输入计算机，由先编制的程序进行数据实时处理并显示出结果。本发明按上述方法提供一种大轴圆度误差及跳动临床测量仪器，由二个以上传感元件[2]、机械夹持装置[3]、光电开关[4]、电路处理单元[5]、计算机[6]组成，该机械夹持装置包括三测头夹持部件、二测头夹持部件、用于调节固定传感元件。夹持装置可安装在加工机床刀架上。

本发明的测量原理是采用误差分离技术叙述如下。

（一）圆度误差的测量：

如图1所示，三个传感器S₁，S₂，S₃的方向相交于一点O，且与截面主轴迴转平均线相重合，XOY为一个固定的坐标系，O′为工件截面瞬时转动中心线，O₁为工件截面最小二乘圆心的瞬时位置，其坐标为X（θ），Y（θ），其中θ表示工件转过θ角时的瞬时值，O_1ρ是固在工件上的极坐标。

记O到轮廓上某点的距离为r′（θ），O₁到轮廓上同一点的距离为r（θ），由于X（θ），Y（θ）＜＜r（θ），所以在XOY中，有：

r′（θ）＝r（θ）+X（θ）cosθ+y（θ）sinθ    （1）

设OO′的瞬时值为e（θ），且与OA夹角为σ，从几何关系可知，三个传感器的示值分别为：

将（1）代入（2），（3），（4）式，并令R（θ）表示某点的圆度，即R（θ）＝r（θ）-r，则上式可以化为：

为了消除主轴迴转误差造成工件在坐标系XOY中的窜动影响，将（5），（6），（7）式分别乘以1，a，b，其中：

a＝-sinβ/sin（α+β）

b＝-sinα/sin（α+β）

并将三式相加，则可以得到组合函数

S（θ）＝S₁（θ）+aS₂（θ）+bS₃（θ）

＝R（θ）+aR（θ-2）+bR（θ+θ）    （8）

在组合函数中已消除了e（θ），X（θ），Y（θ）对测量的影响，通过圆周之内的相关采样，可以解出R（θ）。

记S（K），R（K）为模拟量S（θ），R（θ）在一周内N个等间隔的离散采样值，如果选取合适的α、β，使得存在互质整数m₁，m₂使得m₁＝α·N/2π，m₂＝β·N/2π，对（8）式两端离散采样：

S（K）＝R（K）+aR（K-m₁）+bR（K+m₂）

对上式两端取离散付立叶变换DFT，则

F_S（n）＝F_R（n）+aF_R（n）e^-jnα+bF_R（n）e^jnβ

∴F_R（n）＝F_s（n）/（1+ae^-jnα+be^jnβ） （9）

对上式再取付立叶逆变换，即可以解出工件圆度值序列 （K＝0，1，……，N-1）（10）

由于n＝1时（9）式分母为零，所以将造成一次谐波损失，但是一次谐波不影响圆度评定，当圆的最小二乘圆心为坐标原点时有：

比较（11）和（12）式可知，采用此法测出的圆度误差是最小二乘评定。

本发明通过谐波分析，找出了N，α，β的最佳数值，取N＝256，α＝67.5°，β＝56.25°。

（二）径向跳动测量：

在大轴的机加工中，径向圆跳动的基准是指主轴线的迴转平均线，因此，在圆度误差测量时，如果只考虑一个传感器的采样值则跳动的量值为：

△径＝Smax（θ）-Smin（θ）    （13）

本发明采用同一圆周上的三个传感器，取三个量值的平均值来计算径向跳动，
从而更准确地测量出径向圆跳动。

（三）端面跳动测量

被测对象为直径为D的端面该直径的同周等分为n等分，设等分点为i（i＝1，2，……n）。

使A，B两个传感器分别位于相邻的两个等分点上（如图3），设工件端面上各等分点对基准轴的跳动量为e_i（i＝1，2，……，n），相应的在第j个测量位置上机床主轴的轴向牵动为hj（j＝1，2，……n-1），A，B两个传感器在第j个测量位置处的读数分别为Aj，Bj。

为了消除机床主轴的轴向窜动对测量结果的影响，使A，B两个测头同时读数用两者的差作为建立数据链的基础。公式（A）是A，B两测头在各个测量位置上的读数值：

式中σ是由于安装等引起的B测头相对于A测头的调零误差，设 是受调零误差影响的第i个分度点的跳动量，则：

为了消除调零误差σβ，从（B）式的最后一式得：

把σβ代回到（B）式，就可得到消除了调零误差的跳动量：

则按照端跳定义，可得端跳值为：

△＝｜（e_i）max-（e_i）min｜ （D）

由于（C）式中每个量都含有不定量h，所以（D）式的结果不受h的影响，由此可见用此方法得到的测量结果不受机床主轴的轴向窜动和测头调零误差的影响。

端面跳动测量的另一种方法是中心点、边缘点组合法。测量时将锥形附件装在轴端面的顶尖孔内，传感器s₁装在主轴中心线上，监视车床主轴回转时的轴向窜动，s₂传感器装在被测半径处，设某一瞬时主轴的窜动量为z（σ），端跳动为h（θ），则传感器s₁，s₂的示值分别为

S₁（θ）＝Z（θ） （E）

S₂（θ）＝Z（θ）+h（θ） （F）

取组合函数：

S（θ）＝S₁（θ）-S₂（θ）＝h（θ） （G）

所以端跳值

△端＝Smax（θ）-Smin（θ）    （H）

本发明提出的这种大轴圆度及跳动误差测量方法及临床测量仪，由于消除了机床本身精度及加工运动状态带来的测量误差，大大提高了测量精度。由于所测数据输入计算机按预先编制的程序进行数据处理，测量迅速、可靠，适合加工现场测量。