主轴动态回转精度定义及测试

一、前言

      工具机主轴组件的精度包含以下两个方面：1.几何精度-主轴组件的几何精度，是指装配后，在无负载低速转动（用手转动或低速机械转速）的条件下，主轴轴线和主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动，以及主轴对某参考系统（如刀架或工作台的纵、横移动方向）的位置精度，如平行度和垂直度等；2.回转精度-指的是主轴在以正常工作转速做回转运动时，轴线位置的变化。

二、主轴回转精度的定义

      主轴在作转动运动时，在同一瞬间，主轴上线速度为零的点的联机，称为主轴在该瞬间的回转中心线，在理想状况下，主轴在每一瞬间的回转中心线的空间位置，相对于某一固定的参考系统（例如：刀架、主轴箱体或工具机的工作台面）来说，应该是固定不变的。但实际上，由于主轴的轴颈支承在轴承上，轴承又安装在主轴箱体孔内，主轴上还有齿轮或其它传动件，由于轴颈的不圆、轴承的缺陷、支承端面对轴颈中心线的不垂直，主轴的挠曲和工具机结构的共振等原因，主轴回转中心线的空间位置，在每一瞬时都是变动的。把回转主轴的这些瞬间回转中心线的平均空间位置定义为主轴的理想回转中心线，而且与固定的参考座标系统在一起。这样，主轴瞬间回转中心线的空间位置相对于理想中心线的空间位置的偏离就是回转主轴在该瞬间的误差运动。这些瞬间误差运动的轨迹，就是回转主轴误差运动的轨迹。主轴误差运动的范围，就是所谓的「主轴回转精度」。由此可见，主轴的回转精度，说明回转主轴中心线空间位置的稳定性特点。

三、主轴回转精度量测

3.1 主轴回转误差运动的测量与研究目的

      对主轴回转误差运动的测量和研究有两方面的目的：

（1）.从设计、制造的角度出发，希望通过测量研究找出设计、制造因素与主轴误差运动的关系，及如何根据误差运动的特点，评定主轴系统的设计和制造质量，同时找出产生误差运动的主要原因，以便做进一步改善。

（2）.从使用的角度出发，希望找出主轴运动与加工精度和表面粗糙度的关系，及如何根据误差运动的特点，预测出工具机在理想条件下所能加工出的工件几何与表面粗糙度，给选用工具机及设计工具机提出依据。

3.2 主轴回转精度之测试方法

      主轴回转精度之测量方法，有直接测量法与间接测量法（试件法）两大类，其中直接测量法又有静态与动态测量两种方式。

（1）.静态测试法－

      在主轴锥孔中插入精密之测试棒，用量表接触试棒的表面和端面，轻轻旋转主轴量测在不同角度上的读值。优点：测量方法简单，容易操作，能检验出主轴锥孔中心线与回转中心线是否同心；缺点：不能反映主轴在实际工作转速下的误差运动，且不能反映该误差运动可能造成的加工形状误差及对表面粗糙度的影响。

（2）.动态测试法－

      以标准试棒偏心安装，在径向固定两互相垂直的位移传感器，再轴向另安装一垂直方向的位移传感器，其信号经放大器输入示波器，测量旋转敏感方向的主轴误差运动。

3.3 运动误差图名词解释

（1）.总误差运动（Total Error Motion）－以足够多的圈数记录下的全部误差极座标图，它代表主轴在一定转速下的误差运动情形。

（2）.平均误差运动（Average Error Motion）－是总误差运动极座标图的平均轮廓线，代表该机台在理想切削条件下所能加工出零件的圆度。

（3）.随机误差运动（Asynchronous Error Motion）－是总误差运动对平均误差运动的偏离，它表示在理想切削条件下所能获得的加工表面粗糙度。

（4）.基本误差（Fundamental Error）－平均误差运动的zui密切圆，代表主轴轴心线每转一次的轴向误差。

（5）.残余误差（Residual Error）－平均误差运动对基本误差图象的偏离，代表端面加工的平面度。

3.4 主轴动态回转精度分析

A .造成径向运动误差（Radial Error Motion）的原因:

有两个主要的原因造成工具机上之主轴回转精度误差 :

1.轴承（Bearings），包含轴承不对心（bearing alignment）。

2.机台结构变形造成主轴与量测点间的动态位移（Structural motion between where the probe is mounted and the spindle.）。

B .造成径向平均误差（Average Error）的原因:

1.轴承内（外）环轨道不圆（Out of round stationary bearing races）。

2.轴承座不圆（Out of round bearing seats）。

3.轴承座不对心（Misaligned bearing seats）。

4.主轴动不平衡偶合结构刚性不均匀（Out of Balance condition coupled with non-uniform），（I.e. a structure that is weak in one direction）。

5.机台结构与主轴转速共振    （Resonant conditions of the machine structure that are synchronized with the rotational speed）。

C .造成径向非同步误差（Asynchronous Error）的原因:

1. 轴承预压不当（Improper preload ）。

2. 轴承缺陷（Bearing defects）例如:

• 滚珠或滚柱尺寸有差异或缺陷（Size variation or defects in rolling elements.）。

• 滚珠或滚柱与轨道面的摩擦（Defects such as galling of rotating race）。

• 保持器磨损变形或组装不良。（Bearing cages – worn or installed improperly ）

3. 机台结构变形造成相对振动（Structural Motion / relative vibration）。

4. 由机台外部振动源造成的结构振动变形（Conducted vibration from the floor that caused motion between the probe and master target.）。

5. 机台内部振动源（Self excited motion）引起的:

• 液压系统（Hydraulic system）

• 冷却系统（Coolant system）

• 齿轮、皮带及皮带轮（Gears, belts, pulleys）

• 润滑系统（Lubrication systems）

6. 机械结构或主轴之共振（Resonant frequencies of the machine elements including the spindle that are not synchronized to the rotational speed.）。

四、主轴回转精度实际测试范例

Ø VICTOR 车床主轴回转精度测试架设范例

Ø VCENTER 综合加工机主轴回转精度测试架设范例

Ø 主轴回转精度实验所量测结果范例说明

五、结论

      采用此一精密量测技术有下列各项优点：

1.主轴动态回转精度量测能够评估主轴之运转特性，藉由此一量测可以得知主轴组装情形，再决定是否需要重新组装。

2.藉由此一量测，可以得知主轴的较佳运转转速而得到较理想的工件，而无须由实际切削结果反推理想运转速度。

3.当转速接近共振频率时，主轴之回转误差会急遽增加，由此一量测亦可测得其共振频率。

4.在单点搪孔作业中，平均误差运动与加工完成的孔之真圆度有直接相关；随机误差运动加工完成的孔之表面粗糙度亦有直接关连，若主轴有较小的随机误差运动，便能够加工出较佳之表面粗糙度。