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：e 1.k 1传感.k 1测振仪= e2.k 2传感.k 2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/Amm ；

(10) 求出绝对误差=相对误差(mm)×30um/Amm ；

(11) 停机床、关仪器，并拆除仪器的所有连接线，整理现场。

1.1.2 5.2 电气消偏单向法圆图像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) 按原理框图正确连接好系统，仅用误差测量信号（即标准盘2的信号），并将回转精度测试仪的总接口板插入插座中；

(3) 经指导老师检查连线无误后，接通电源预热仪器；

(4) 调整好机床转速，启动机床；

(5) 调整基圆：

(6) 回转精度测试仪产生基圆的原理：将测振仪的输出信号接入回转精度测试仪的S 输入端，由带通III 从该信号选出与主轴同频的一次谐波，为了消除机床振动所引起的一次谐波的幅值变化对基圆的影响，用限幅放大器对一次谐波进行限幅，再用带通I 选出稳定的一次谐波，然后将一次谐波分为两路，一路经移相器B 移相90o ，另一路不移相，将两路信号送示波器垂直输入端（Y 端）和水平输入端（X 端）叠加而产生基圆。

(7) 基圆的调整：首先根据机床转速n 确定带通III 和带通I 所要通过的一次谐波的频率。

(8) 调节带通III 的频率粗调开关，使一次谐波的频率包括在开关所指的频率范围内，如机床n=900转/分，则频率f=900/60=15Hz，粗调开关置在30位置。调整频率微调电位器，直到示波器上出现的正弦信号的幅值为最大（将带通III 的输出端与示波器的Y 端相连）。带通I 的调整与带通III 相同。

(9) 将示波器的X 、Y 端分别接回转精度测试仪的X 、Y 输出端，调节移相器B 的移相旋钮，使输出输入端相差90o （在示波器上得到一正椭圆图形），再调整增益电位器改变其幅值，在示波器上得到一个真圆，这个圆就是基圆。

（注意：调整基圆时一定将移相器A 的增益关断）

(10) 测量，将测振仪的输出信号同时接到回转精度测试仪的R 输入端，调节移相器A 的移相旋钮和增益电位器，使相位与R 端信号相差180o ，幅值等于R 端信号基波的幅值，两者经加法器3相加，达到消偏的目的。将已消偏的纯误差信号叠加到基圆上（由仪器内部完成），在示波器上得到的图形即为误差圆图像；

(11) 将所得到的圆图像用最小二乘方圆进行处理得到圆度误差的相对值（实际操作是用一同心圆模板来套曲线，这时有一内接圆和一外接圆，两圆的半径差即为误差值，但应注意这样的两同心圆与误差的接触形态应满足最小条件——即同心圆的内、外接圆至少应各有二点与曲线接触，且内外圆节点应该是相同的。）曲线以图面中心为基准所得到的最大宽度即为粗糙度的相对值；

(12) 标定：保持基圆的状态不变（去掉R 端信号，关断移相器A 的增益电位器），将一标准正弦信号输入R 端，该信号幅值等于测振仪当前档位（如30um 档）满量程的输出电压值，这时示波器上获得一花瓣图形，调整标定信号频率使花瓣图形稳定，则花瓣的高度A(mm)代表的就是测振仪的满量程值30um ，即标定系数为30um/Amm；

(13) 求出绝对误差=相对误差(mm)×30um/A(mm)；

(14) 停机床、关仪器，并拆除仪器的所有连接线，整理现场。

6．实验报告

实验报告要包括以下内容：

(1) 实验目的和意义

(1) 实验原理和方法

(2) 实验仪器及设备、耗材

(3) 实验方案（实验方案设计、实验手段，操作步骤）

(4) 实验原始记录（实验数据记录、现象记录、实验过程发现的问题）

(5) 实验数据结果

(6) 实验数据分析

a) 实验数据图表处理

b) 实验结果分析

c) 实验中出现问题的分析

d) 实验误差分析及其改进对策

e) 分析误差运动产生的原因

7．预习思考题

(1) 测量传感器应该选择什么类型的传感器，为什么？传感器如何正确安装？

(2) 标准圆盘1和2如何调整，应注意什么？

(3) 图1-13（见机床主轴误差运动测试背景材料）中带通I 、带通II 、限幅器、移相器A 、移相器B 和乘法器的作用是什么？

(4) 如何得到回转轴误差运动的真实值？如何标定，标定中应注意什么？

(5) 如何用最小二乘方园对获得的圆图像进行处理？

(6) 如果传感器安装时，没有完全垂直机床主轴，测试结果和上述结果有什么不同，为什么？