測量超精密花崗石空氣主軸徑向回轉(zhuǎn)精度的測量方法

超精密空氣主軸（以下簡稱主軸）可用作超精密加工機床或高精度計量儀器的主軸系統(tǒng)。主軸采用先進的氣體靜壓技術(shù)，徑向軸承和雙向止推軸承的各工作面均為靜壓氣浮面，且經(jīng)過嚴格的動平衡，因而實現(xiàn)了非接觸的高精度回轉(zhuǎn)，具有無振動、低噪音的特點。

　　由于氣膜對軸系零件加工誤差的平均作用，因而軸系裝配后的回轉(zhuǎn)精度可以高于零件精度。對主軸主要技術(shù)指標(biāo)——主軸徑向回轉(zhuǎn)精度要求達到小于0.1μm。這樣高精度的指標(biāo)，即使加工出來了，也難以測量出它的精度，因而給測量帶來了極大的困難。通過幾年的摸索、研究，終于用雙向轉(zhuǎn)位法測出了主軸徑向回轉(zhuǎn)精度(0.07μm)�，F(xiàn)將測量方法介紹給讀者。

1　檢測

1.1　檢測條件

環(huán)境溫度：20±1℃　每小時變化：<0.1℃

　　相對濕度：30%～60%

　　被測主軸在恒溫室內(nèi)定溫時間不少于24h；

　　被測主軸與標(biāo)準(zhǔn)器具的溫差不大于0.2℃；

　　被測主軸需安置在隔振基礎(chǔ)上，周圍無劇烈振動和沖擊；供氣壓力穩(wěn)定在0.4±0.02MPaq　　

1.2　檢測用儀器和器具

　�、佟�TESA電感測微儀（瑞士）（分辨率0.01μm），

　�、凇�標(biāo)準(zhǔn)玻璃球不圓度≤0.05μm(英國圓度儀附件)

1.3　檢測方法

　　采用雙向測量法，測量裝置如圖1所示。

圖1　測量裝置

　　將標(biāo)準(zhǔn)玻璃球作為測量工具，通過可調(diào)偏心并能轉(zhuǎn)位工裝，固定安裝在主軸上。電感測微儀測頭從主軸回轉(zhuǎn)軸線垂直方向?qū)��?zhǔn)球，并垂直于球面，調(diào)整球與軸系回轉(zhuǎn)軸線基本同心。其偏心量越小越好，一般在0.5μm左右。第一步，測頭從零度方向開始測量，均勻旋轉(zhuǎn)主軸，從零開始每間隔10°，θ_i=0°，10°，20°～350°。讀出電感測微儀讀數(shù)，測量3～5圈，取平均值X₁(θ_i)為反向前讀數(shù)，然后軸系不動，球與測頭各自相對于軸系轉(zhuǎn)動180°，即進行了反向，反向后球的偏心會有變化，重新調(diào)整偏心后測量3～5圈，取平均值為反向后讀數(shù)X₂(θ_i)。第二步，從90°方向開始測量，重復(fù)上述測量步驟，測量過程如圖2所示。得Y_i(θ_i)為反向前讀數(shù)，然后軸系不動，球與測頭各自相對于軸系轉(zhuǎn)動180°，即從90°轉(zhuǎn)到270°。得Y₂(θ_i)為反向后讀數(shù)。

圖2　測量過程

2　數(shù)據(jù)處理

2.1　反向前、后讀數(shù)相減除2

　　得到的測量數(shù)據(jù)是消除了球不圓度影響的軸系誤差。

2.2　消除常數(shù)項和偏心

　　殘差：

一次富里哀級數(shù)系數(shù)：

　　將計算結(jié)果展成富里哀級數(shù)：

 

　　標(biāo)準(zhǔn)球安裝偏心所造成的是一次諧波分量，去除零次和一次諧波得主軸各點的回轉(zhuǎn)誤差。

ΔV_xi=V_xi-[a_xjcos(θ_i)+b_xjsin(θ_i)]

ΔV_yi=V_yi-[a_yjcos(θ_i)+b_yjsin(θ_i)]

2.3　X、Y向軸系誤差合成

　　以ΔV_imax為最大回轉(zhuǎn)誤差。

3　測量精度分析

3.1　用雙向測量法保留軸系一次直線諧和運動的消偏

　　軸系回轉(zhuǎn)時，由于振動等動態(tài)因素或軸系的結(jié)構(gòu)因素所造成的響應(yīng)，其中有一次諧波的成份，這是軸系誤差運動的組成部分，對軸系使用時的精度和性能是有影響的，因而是不該消除的，要區(qū)分不同性質(zhì)的一次諧波，就得用雙向測量法來測量軸系的回轉(zhuǎn)誤差，即傳感器在間隔90°位置安裝，從X與Y兩個互相垂直的分量中來觀察和判別，而采用單向測量法是無法進行判別的。

3.2　用平均值法減小偶然誤差的影響

　　軸系回轉(zhuǎn)時不可能沒有誤差，為了減小偶然誤差的影響，測量時無論是反向前還是反向后都測3～5圈，然后取平均值。

3.3　用計算消偏法消除測量工具安裝偏心所造成的安裝誤差

　　在測量軸系回轉(zhuǎn)精度時，既使標(biāo)準(zhǔn)球調(diào)整得與軸系回轉(zhuǎn)中心非常同心，但不可避免地還是存在不同心度，不同心度的偏擺被位移傳感器接收，混入測量數(shù)值中，這是由于裝調(diào)引起的，不是軸系的誤差，必須在數(shù)據(jù)處理時予以消除，消除的原則是球安裝不同心的偏擺量是一次諧波。因此用計算法消除一次諧波成份，也就消除了標(biāo)準(zhǔn)球安裝位置不同的影響。

3.4　應(yīng)用誤差分離技術(shù)、EST、消除標(biāo)準(zhǔn)球不圓度的影響

　　在測量軸系的徑向誤差時，使用的是標(biāo)準(zhǔn)玻璃球作為工具球，因此測量數(shù)據(jù)中包含了工具球的不圓度，如果工具球的不圓度為軸系徑向誤差的三分之一以下，那么工具球的不圓度影響就可忽略不計。但是由于軸系回轉(zhuǎn)精度的提高，已達到和標(biāo)準(zhǔn)球不圓度的數(shù)據(jù)相同甚至更高，很難制成精度更高的標(biāo)準(zhǔn)球。解決辦法是采用誤差分離技術(shù)，用適當(dāng)?shù)臏y量方法和數(shù)據(jù)處理方法，在測量數(shù)據(jù)中分離出消除工具球不圓度影響后的軸系徑向誤差。同時也可分離出消除軸系徑向誤差（主要是系統(tǒng)誤差成份）影響的工具球不圓度。如果分離出的球不圓度和其它測量結(jié)果(如：圓度儀測量)基本相符，說明測量設(shè)備和測量方法是正確的、可靠的。按同樣的測量原始數(shù)據(jù)分離出的軸系徑向誤差也是準(zhǔn)確的。反之，就可以發(fā)現(xiàn)疑問，查找問題。我們從測量主軸的實例中可以看出，分離出的球的不圓度為0.057μm,和圓度儀測量的球不圓度0.05μm,基本相符，可以說我們的測量方法是正確可靠的，其軸系徑向誤差也是準(zhǔn)確的。

4　測量結(jié)果

　　測量結(jié)果見圖3。經(jīng)過多次測量，主軸徑向回轉(zhuǎn)精度為0.07μm。

圖3　測量結(jié)果

5　注意事項

　�、佟≌{(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球與軸系回轉(zhuǎn)軸線同心時。偏心量不能太大，以免使用測頭的移動量增大，造成測量儀器的使用范圍過大而增大儀器誤差。我們做過實驗，當(dāng)偏心量調(diào)到3～1.5μm時，測得軸系回轉(zhuǎn)精度為0.25μm。當(dāng)偏心量調(diào)到1.5～1μm時，測得軸系回轉(zhuǎn)精度為0.17μm。

　　當(dāng)偏心量調(diào)到1～0.5μm時，測得軸系回轉(zhuǎn)精度為0.07μm。所以對于高精度軸系的測試，偏心量要調(diào)到0.5μm。

　�、凇�測力不能過大，避免測力對工件的影響和測量頭伸縮時的機械惰性的影響。

　�、邸≈鬏S轉(zhuǎn)動一定要均勻，每圈的采樣位置要重合