一種數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法
【專利摘要】一種數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法，在被測圓表面沿主軸周向布置三個位移傳感器，切削加工前采集位移及主軸旋轉(zhuǎn)角度信號，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角間隔采樣信號，采用三點(diǎn)法分離出被測圓表面的輪廓誤差，提取兩垂直位移傳感器位移信號，計算安裝偏心誤差；由輪廓誤差及安裝偏心誤差獲取由被測圓表面引入的干擾信號；切削工況條件下采用插值法計算出主軸旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的干擾信號，然后從切削工況下的位移信號中去除干擾信號，獲得主軸軸心軌跡。該方法能夠消除主軸速度波動對分離計算的影響，滿足分離精度與回轉(zhuǎn)誤差快速分離的要求，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)誤差在線快速分離。
【專利說明】一種數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)控機(jī)床切削 工況下主軸軸心軌跡在線測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為一種重要的加工裝備正朝著高速、高精 度和高效率的方向發(fā)展。而數(shù)控機(jī)床的主軸性能對于機(jī)床的加工精度及加工穩(wěn)定性有直接 的影響，特別是在高速加工領(lǐng)域，主軸運(yùn)動性能優(yōu)劣是影響加工質(zhì)量的重要因素。
[0003] 數(shù)控機(jī)床主軸運(yùn)動性能的降低可表現(xiàn)為主軸運(yùn)動誤差的增加大；主軸的運(yùn)動誤差 主要包括：與主軸軸線垂直的兩個方向的平移運(yùn)動誤差，與軸線平行的軸向平移運(yùn)動誤差 及與兩個轉(zhuǎn)角運(yùn)動誤差。受主軸及軸承的制造、安裝等結(jié)構(gòu)因素及切削過程中主軸系統(tǒng)動 力學(xué)因素的影響，主軸回轉(zhuǎn)中心在垂直于軸線的截面上形成一定的軸心軌跡。而這種垂直 截面上兩個方向的運(yùn)動誤差擬合形成的軸心軌跡是主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動性能的直接體現(xiàn)。在數(shù)控 機(jī)床切削過程中在線測量主軸軸心運(yùn)動軌跡對實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、主軸動 平衡及工件加工質(zhì)量的預(yù)測與補(bǔ)償均具有重要的意義。
[0004] 由于主軸回轉(zhuǎn)精度測試對機(jī)床性能、加工質(zhì)量等方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，國 內(nèi)外學(xué)者針對主軸回轉(zhuǎn)精度的測量及回轉(zhuǎn)誤差的分離方法做了大量的研究工作，常用的方 法有：單點(diǎn)測量法、反向法、多步法、多點(diǎn)測量法等。在某一個表面測量主軸的回轉(zhuǎn)精度，其 中耦合了兩種誤差分量，主軸回轉(zhuǎn)誤差及被測表面的輪廓誤差。主軸回轉(zhuǎn)精度獲取方法就 是要在測量信息中去除被測圓表面引入的干擾信號，分離出主軸的回轉(zhuǎn)誤差。其測量和分 離的方法歸納起來可分為兩大類，一類是使主軸回轉(zhuǎn)誤差固定，改變被測面輪廓誤差相對 回轉(zhuǎn)誤差的起始角度進(jìn)行測量，即全周等角轉(zhuǎn)位法，在測點(diǎn)固定的前提下，通過轉(zhuǎn)位工件或 轉(zhuǎn)位主軸至既定測位工作的，如反向法及多步法。另一類是不改變被測面輪廓誤差相對回 轉(zhuǎn)誤差的起始角度，而是在工件或主軸的圓周方向按設(shè)定的角度布置一個、兩個、或多個測 點(diǎn)進(jìn)行工作，如兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法、多點(diǎn)法等。雖然全周等角轉(zhuǎn)位法中的多步法及改進(jìn)的并聯(lián) 多步誤差分離法能夠克服諧波抑制的問題，達(dá)到一定的分離精度，但是由于這種測量的方 法需要對被測件進(jìn)行轉(zhuǎn)位，所以并不適用于切削工況下機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的分離。兩點(diǎn)法 是回轉(zhuǎn)誤差測量中常采用的方法，通過在圓周上垂直布置兩個位移傳感器，直接測量主軸 回轉(zhuǎn)誤差在兩個方向上的分量，其前提是假設(shè)被測件的輪廓形狀誤差非常小可忽略，因此 在采用這個方法時需要在主軸上安裝標(biāo)準(zhǔn)球以作為被測件。這種方法只能在機(jī)床非工作時 間進(jìn)行，測量的是機(jī)床主軸在非切削工況條件下，主軸的運(yùn)行狀態(tài)，對于分析主軸的結(jié)構(gòu)特 性及故障分析有很好的幫助。但是在切削工況條件下，主軸除了受到主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因素影 響外，還受到各種振動激勵、切削力變化等主軸系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響，使得主軸回轉(zhuǎn)誤差 隨時間及工況在不斷的變化，而這些因素的影響對于研究主軸的動力學(xué)特性，主軸動平衡 及預(yù)測加工質(zhì)量有重要的價值。三點(diǎn)法是多測點(diǎn)法中的代表，可以在不影響主軸工作的情 況下，通過圓周上按特定角度布置的三個位移傳感器測量的信息分離主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差， 滿足回轉(zhuǎn)誤差在線測量的基本條件，但是三點(diǎn)法主要不足在于不能有效的分離回轉(zhuǎn)誤差中 的一階諧波分量與被測件安裝偏心所導(dǎo)致的一階諧波分量，同時傳感器分布角度可容忍的 誤差范圍很小，安裝中如果產(chǎn)生誤差容易造成某些階次上的諧波抑制，因此傳感器分布角 度需要嚴(yán)格計算，并對傳感器安裝要求較高。此外三點(diǎn)法以等時間間隔采樣的信號做為分 析計算的基礎(chǔ)，更適合信號在多個周期具有相同特征的情況，而在機(jī)床切削工況下，由于切 削力影響主軸速度波動增大，致使每個周期信號一致性差，仍采用等時間間隔采的信號進(jìn) 行處理時，會增加回轉(zhuǎn)誤差的計算誤差。同時三點(diǎn)法中采用傅里葉正變換與反變換計算時 間長，不利于在線實(shí)時的獲取主軸的軸心軌跡。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法，該 方法能夠消除主軸速度波動對分離計算的影響，同時滿足分離精度與回轉(zhuǎn)誤差快速分離的 要求，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)誤差在線快速分離。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0007] 1)在數(shù)控機(jī)床主軸的被測圓表面，沿數(shù)控機(jī)床主軸圓周方向安裝用于測量被測 表面的位移信號的第一、二、三位移傳感器，且第一、二、三位移傳感器的安裝夾角選擇原則 是：在被測圓表面輪廓誤差的有效階次中不造起除一階諧波以外其它諧波抑制，第一、二位 移傳感器的安裝夾角為90° ;
[0008] 2)同步采集數(shù)控機(jī)床主軸在切削加工前旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角度信號及被測圓表面第一、 二、三位移傳感器的位移信號Si(t)、s2 (t)、s3 (t);
[0009] 3)將被測圓表面第一、二、三位移傳感器的位移信號Sl(t)、s2(t)、s3(t)轉(zhuǎn)化為對 應(yīng)的轉(zhuǎn)角間隔采樣信號巧#)、&#)、，且，為等角度間隔的主軸旋轉(zhuǎn)角度，t為時 間；然后米用三點(diǎn)法從轉(zhuǎn)角間隔米樣信號&(/))、&(〇)、.MO中分離出被測圓表面的輪廓 誤差同時提取第一、二位移傳感器所測得的被測圓表面的位移信號的一階諧波分量， 根據(jù)偏心計算方法得到數(shù)控機(jī)床主軸的被測圓表面的安裝偏心誤差；
[0010] 由被測圓表面的輪廓誤差及被測圓表面的安裝偏心誤差獲取由被測圓表面引入 的干擾信號(歹），且

【權(quán)利要求】
1. 一種數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 在數(shù)控機(jī)床主軸的被測圓表面，沿數(shù)控機(jī)床主軸圓周方向安裝用于測量被測表面的 位移信號的第一、二、三位移傳感器（Sl，S2,S3)，且第一、二、三位移傳感器（Sl，S2,S3)的 安裝夾角選擇原則是：在被測圓表面輪廓誤差的有效階次中不造起除一階諧波以外其它諧 波抑制，第一、二位移傳感器（Sl，S2)的安裝夾角為90° ; 2) 同步采集數(shù)控機(jī)床主軸在切削加工前旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角度信號及被測圓表面第一、二、 三位移傳感器的位移信號Sl (t)、s2 (t)、s3 (t); 3) 將被測圓表面第一、二、三位移傳感器（Sl，S2,S3)的位移信號sjt)、s2(t)、s3(t) 轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的轉(zhuǎn)角間隔采樣信號S#)、5#)，且，為等角度間隔的主軸旋轉(zhuǎn)角 度，t為時間；然后采用三點(diǎn)法從轉(zhuǎn)角間隔采樣信號s,(f)、&(歹)、5,(歹)中分離出被測圓 表面的輪廓誤差I(lǐng)#)*同時提取第一、二位移傳感器（Sl，S2)所測得的被測圓表面的位移 信號，根據(jù)偏心計算方法得到數(shù)控機(jī)床主軸的被測圓表面的安裝偏心誤差； 由被測圓表面的輪廓誤差及被測圓表面的安裝偏心誤差獲取由被測圓表面引入的干 擾信號r/(0)，且f/(0) =KW+pcosW+d');P為被測圓表面的偏心半徑，S為被測圓表面 的偏心角度； 4) 在數(shù)控機(jī)床切削工況條件下，同步采集數(shù)控機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)角度及第一、二位移傳 感器（S1，S2)所測得的位移信號，將第一、二位移傳感器（S1，S2)所測得的位移信號轉(zhuǎn)換為 第一、二位移傳感器（Sl，S2)以主軸旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)描述的位移信號； 同時，根據(jù)切削加工前由被測圓表面引入的干擾信號爾，）以及數(shù)控機(jī)床切削工況條 件下的數(shù)控機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)角度，采用插值計算法獲取數(shù)控機(jī)床切削工況下第一、二位移傳 感器（Sl，S2)對應(yīng)方向的干擾信號； 5) 在數(shù)控機(jī)床切削工況下，從第一位移傳感器（S1)以主軸旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)描述的 位移信號中去除第一位移傳感器（S1)對應(yīng)方向的干擾信號及第一位移傳感器（S1)的直流 分量，得到XY坐標(biāo)平面上，數(shù)控機(jī)床主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差在X坐標(biāo)方向的分量，從第二位移傳 感器（S2)以主軸旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)描述的位移信號中去除第二位移傳感器（S2)對應(yīng)方向 的干擾信號及第二位移傳感器（S2)的直流分量，得到XY坐標(biāo)平面上，數(shù)控機(jī)床主軸徑向回 轉(zhuǎn)誤差在Y坐標(biāo)方向的分量，然后在XY坐標(biāo)平面上，將數(shù)控機(jī)床主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差在X坐 標(biāo)方向的分量和Y坐標(biāo)方向的分量進(jìn)行擬合，得到數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸在切削工況下 的軸心軌跡；其中，XY坐標(biāo)平面是由安裝夾角為90°的第一、二位移傳感器（Sl，S2)構(gòu)建 的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法，其特征在 于：所述的步驟2)和步驟4)中數(shù)控機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)角度信號是通過旋轉(zhuǎn)編碼器（2)測定 的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法，其特征在 于：所述的步驟3)中將被測圓表面第一、二、三位移傳感器（S1，S2,S3)的位移信號Sl(t)、 s2(t)、s3(t)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的轉(zhuǎn)角間隔采樣信號.V(歹）.、、.、?:(("7.)，是采用重采樣法實(shí)現(xiàn) 的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法，其特征在 于：所述的步驟3)中被測圓表面的輪廓誤差r(#)是采用如下方法獲得的： 3. 1)將第一、二、三位移傳感器的轉(zhuǎn)角間隔采樣信號s,(歹)、.s'2#)、.y_#7)進(jìn)行加權(quán)求 和以去除信號中主軸回轉(zhuǎn)誤差信息，得到和函數(shù)其中，和函數(shù)歹)是采用下式得到 的：
f為第一位移傳感器（S1)和第二位移傳感器（S2)之間的安裝夾角，t為第三位移傳 感器（S3)和第一位移傳感器（S1)之間的安裝夾角； 3.2)將和函數(shù)s(0)進(jìn)行傅里葉變換得到函數(shù)S(k)，根據(jù)函數(shù)S(k)和權(quán)函數(shù)W(k)得 到被測圓表面輪廓誤差的傅里葉變換函數(shù)，然后將傅里葉變換函數(shù)進(jìn)行傅里葉反變換得到 被測圓表的輪廓誤差，?#);
k為頻率分量的 序號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床切削工況下主軸軸心軌跡在線測量方法，其特征 在于：所述的第一位移傳感器（S1)的直流分量是由第一位移傳感器（S1)與理想圓心距離 減去被測元表面平均半徑得到的；第二位移傳感器（S2)的直流分量是由第二位移傳感器 (S2)與理想圓心距離減去被測元表面平均半徑得到的。
【文檔編號】B23Q17/00GK104400560SQ201410625285
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】陶濤, 徐新平, 梅雪松, 孫挪剛, 劉磊 申請人:西安交通大學(xué)