主軸回轉誤差的動態(tài)測試和研究*

孫軍，黃圓，秦顯軍，錢彬彬

(沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽110168)

摘要：為實現(xiàn)主軸回轉誤差的測量，實現(xiàn)主軸回轉精度的動態(tài)分離，文章運用數(shù)理統(tǒng)計法在LabVIEW軟件上開發(fā)了一套主軸回轉誤差動態(tài)分離模擬軟件，并由數(shù)理統(tǒng)計法為理論基礎設計出一個基于LabVIEW的主軸回轉誤差測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由結合嵌入式系統(tǒng)CompactRIO為控制器、LabVIEW軟件編程，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示的功能。該系統(tǒng)用于機床主軸回轉精度的實際測量，得到了高精度的主軸回轉誤差數(shù)據(jù)，為主軸回轉誤差的動態(tài)測量提供技術支持。

關鍵詞：數(shù)理統(tǒng)計法；LabVIEW；CompactRIO；回轉誤差

文章編號：1001-2265(2015)09-0074-04

收稿日期：2015-03-27

基金項目：*遼寧省自然科學基金(2013020035)；遼寧省科技計劃項目(2013220017)

作者簡介：孫軍(1963—)，男，遼寧大連人，沈陽建筑大學教授，碩士生導師，博士，研究方向為先進數(shù)控理論與應用技術，數(shù)字化制造應用技術，(E-mail)sunjun589@126.com。

中圖分類號：TH166;TG659

Dynamic Test and Research of Spindle Rotation Error

SUN Jun,HUANG Yuan,QIN Xian-jun,QIAN Bin-bin

(College of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168,China)

Abstract：In order to realize the error of measuring spindle rotation, to achieve dynamic separation of spindle rotation accuracy, paper uses mathematical statistics on LabVIEW software to develop a separate spindle error dynamic simulation software by mathematical statistics and theoretical basis for the design of a Rotary error test system based on LabVIEW spindle. The system consists of combining CompactRIO embedded system controller, LabVIEW software programming, data collection, data processing functions and data display. The system is used to measure the actual spindle rotation accuracy to obtain high-precision spindle error number.

Key words： mathematical statistics;LabVIEW; CompactRIO;rotation error

0引言

工程界對機床主軸的回轉性能十分重視，它是影響加工工件形狀精度和粗糙度的主要因素[1]。在不同轉速下，主軸的受力狀態(tài)是不相同的，受硬件和測量條件的影響，傳統(tǒng)的主軸回轉誤差，測量方法很難分離和處理測量信號。NI公司開發(fā)的LabVIEW是基于G語言的虛擬儀器開發(fā)工具，LabVIEW豐富實用的數(shù)據(jù)分析模塊，其編程相對比較簡單，程序工作相對比較穩(wěn)定，為用戶快速構件自己的測試系統(tǒng)提供了一個工業(yè)標準的圖形化開發(fā)環(huán)境[2]。

以TX1600G數(shù)控銑床加工中心的機床主軸為檢測和診斷對象，結合嵌入式系統(tǒng)CompactRIO進行高效采集數(shù)據(jù)，用LabVIEW12.0為軟件平臺開發(fā)了一個主軸回轉誤差測試系統(tǒng)。通過本測試系統(tǒng)，得到主軸徑向回轉誤差數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)進行實時處理，補償主軸工作過程中的回轉誤差，提高加工精度，具有重要的實踐意義。

1測量系統(tǒng)理論及誤差分離技術

1.1主軸回轉誤差分析

主軸回轉誤差主要存在純徑向跳動、純軸向竄動和純角度擺動等三種基本形式。一般情況下，實際加工中的誤差是由這三種誤差形式共同作用的[3]，而純軸向跳動是回轉誤差產(chǎn)生的主要原因，因此可以通過檢測徑向誤差來評價主軸的回轉誤差，監(jiān)視回轉軸的運行狀態(tài)。

1.2誤差分離技術

為了得到準確的誤差信號，需要從采集信號中剔除干擾信號，由于對主軸回轉誤差進行測量時軸心不可見，不能直接對軸心進行測量，而只能通過間接測量主軸的標準棒、標準球或者外輪廓，因而這樣的測量必須要運用誤差分離技術進行誤差分離[4]。

1.3數(shù)理統(tǒng)計法數(shù)據(jù)處理

本文采用垂直式分布兩個微位移傳感器，對機床主軸的外圓進行在線采集數(shù)據(jù)，應用數(shù)理統(tǒng)計誤差分離技術對采集的主軸外圓數(shù)據(jù)進行分離[5]，如圖1所示，將兩個位移傳感器SX和SY垂直布置，相交于O點，設O點到測量軸外圓輪廓的距離為d，數(shù)理統(tǒng)計法數(shù)據(jù)處理主要包括如下三部分：

(1)主軸形狀計算

主軸旋轉時，首先根據(jù)傳感器Sx采集到的數(shù)據(jù)計算主軸外部圓輪廓的形狀誤差Δrn：

(1)

式中：i=1,2,3...,N×M;n=1,2,3...,N；

xi——主軸在X方向上的回轉誤差；

N——每周采樣點數(shù)；

M——統(tǒng)計轉數(shù)。

(2)計算主軸的回轉誤差

(2)

同理：

(3)

以上計算是單個傳感器的測量原理，在Y方向安裝另一個位移傳感器SY，Sx和SY同時采集位移數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)SXi和SYi。利用上述數(shù)理統(tǒng)計法分別計算得到Δxi、Δyi，把它們看作直角坐標系中X分量和Y分量，可得到二維的主軸回轉誤差圓圖像;同理將Δxn、Δyn合成可得到二維的主軸回轉誤差軌跡圖。

(3)主軸回轉誤差評定

主軸回轉誤差的評定是指在已測得主軸回轉誤差運動軌跡的條件下定量的求解其運動誤差大小的一種方法[6]，通常用回轉精度來表示回轉誤差的大小。本文采用最小二乘圓法進行誤差評定，將采集到的數(shù)據(jù)組成圓輪廓[7]，以最小二乘圓的圓心到圓輪廓距離的最大值和最小值之差作為圓度誤差。

圖1　誤差測量分離示意圖

2仿真軟件開發(fā)和分析

在諸多研究方法中，仿真分析具有成本低、效率高和安全可靠的特點[8]，利用LabVIEW12.0編寫了一款仿真評定軟件。編程語言LabVIEW提供了一個工業(yè)標準的圖形化開發(fā)環(huán)境[9]，按照仿真軟件的功能，利用圖形化編程軟件LabVIEW12.0，結合嵌入式系統(tǒng)CompactRIO特性，設計出仿真軟件，其仿真程序如圖2所示。主界面如圖3所示，可以通過輸入標記點數(shù)n，統(tǒng)計轉數(shù)m，主軸半徑r，就可以計算出模擬回轉誤差和圓度誤差，以及誤差分離前后的對比圖，具有方便、高效、直觀的特點。

圖2　仿真軟件程序流程圖

圖3　結果分析界面

取每周采樣點數(shù)n=64，統(tǒng)計轉數(shù)m=800，原始主軸回轉誤差數(shù)據(jù)由LabVIEW編程產(chǎn)生疊加的隨機值，其除去基圓以后的采樣值為八棱圓。具體參數(shù)如表1，圖4為仿真產(chǎn)生的測量結果。

表1　仿真輸入?yún)?shù)

根據(jù)圖4主模擬軟件仿真結果分析對比圖可以看出，在統(tǒng)計轉數(shù)m= 800r時，模擬輸入圓度誤差和分離之后主軸圓度誤差的幅值差小于模擬圓度誤差幅值的0.5%。而模擬輸入回轉誤差和分離之后主軸回轉誤差的幅值差小于3%。模擬輸入的主軸回轉運動軌跡與分離之后的運動軌跡相差不大，由此可見，利用LabVIEW軟件平臺，以NI CompactRIO為系統(tǒng)控制器，以數(shù)理統(tǒng)計法為理論基礎開發(fā)的誤差分離系統(tǒng)可以高效的分離主軸回轉誤差。

仿真測量結果顯示，總體樣本特點會與實際采集的采樣點數(shù)有一定的偏差，為了使模擬結果與實際測量更相符，改變每轉的采樣點數(shù)進行研究。下面是研究改變采樣點數(shù)對測量精度的結果影響，通過多次改變統(tǒng)計轉數(shù)數(shù)進行多次仿真研究，得到如表2所示統(tǒng)計轉數(shù)對分離精度的影響。

(a)分離后圓度誤差和模擬圓度誤差對比

(b)圓度誤差幅值差

(c)分離后回轉誤差和模擬回轉誤差對比

(d)回轉誤差幅值差

由表2回轉誤差數(shù)據(jù)可作出如圖5統(tǒng)計轉數(shù)數(shù)對精度影響的曲線圖。觀察圖5所示統(tǒng)計轉數(shù)不同對回轉誤差測量精度的影響可以得知，隨著采樣轉數(shù)的增加，主軸回轉誤差分離前后的相對誤差值減少，測量的精度提高，測得的數(shù)據(jù)可以比較準確的描述主軸實際工作時軸心的運動規(guī)律。

表2　統(tǒng)計轉數(shù)對測量精度的影響

圖5　統(tǒng)計轉數(shù)對測量結果的影響曲線圖

3測試系統(tǒng)

3.1硬件組成

本測試系統(tǒng)的硬件部分包括：①測試對象： TX1600G鏜銑加工中心主軸；②數(shù)據(jù)采集卡：CompactRI09023機箱、cRI09205數(shù)據(jù)采集卡及其附件；③兩個電渦流位移傳感器及其支架；④采樣點標記帶一條；⑤計算機一臺。

測試系統(tǒng)原理圖，如圖6所示，主軸轉動，兩個渦流位移傳感器采集數(shù)據(jù)，NI CompactRIO為系統(tǒng)控制器，由LabVIEW軟件處理數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)主軸外輪廓的定點數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸入，由軟件系統(tǒng)顯示測試結果。

圖6測試系統(tǒng)硬件原理圖

3.2軟件設計

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計法誤差分離技術主軸徑向回轉誤差測量的要求，應用LabVIEW12.0設計出測試軟件界面及其相應程序，其界面主要包括參數(shù)輸入和結果顯示。設計的軟件系統(tǒng)流程如圖7所示，分析軟件系統(tǒng)的界面如圖8所示。

圖7　軟件系統(tǒng)流程圖

圖8　測試軟件顯示圖

4實驗研究

前面對該系統(tǒng)進行了詳盡的理論分析和仿真研究，為了進一步驗證其有效性，將測試系統(tǒng)于TX1600G鏜銑加工中心主軸回轉誤差真實測量，根據(jù)美國機械工程師協(xié)會[10]所制定的標準，選擇了主軸最大轉速的10%、50%和80%，即以150r/min、750r/min和1200r/min三個轉速數(shù)為測試速度，得到主軸圓度誤差數(shù)據(jù)和回轉誤差數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3　測試結果

由表3可知，隨著轉速的變大，主軸圓度誤差減小，回轉誤差變大，變化趨勢基本一致，這是由于主軸轉速增大后，轉動不平衡產(chǎn)生的誤差變大引起的，它們符合實際情況。由此實驗得出，該誤差分離系統(tǒng)以NI CompactRIO為系統(tǒng)控制器可以高效、精確、可靠地分離出主軸圓度誤差和回轉誤差。

5結論

通過對主軸回轉誤差的動態(tài)測試進行了研究，利用LabVIEW軟件平臺，以NI CompactRIO為系統(tǒng)控制器，以數(shù)理統(tǒng)計法為理論基礎。

(1)編寫了一套用于主軸回轉誤差測量的仿真軟件系統(tǒng)，并在該仿真系統(tǒng)上，應用數(shù)理統(tǒng)計法對主軸回轉誤差的測量進行了多次仿真研究。

(2)通過對主軸回轉精度的動態(tài)測試技術的研究，開發(fā)出一套主軸回轉誤差的分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合嵌入式系統(tǒng)CompactRIO為控制器，以LabVIEW為軟件平臺，可以實現(xiàn)回轉誤差數(shù)據(jù)的高速在線采集，并且具有實時采集數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和評定數(shù)據(jù)的功能。

[參考文獻]

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[10] B5.54Standard.American Society of Mechanical Engineers[S].

(編輯李秀敏)