一种数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法
【专利摘要】一种数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法，在被测圆表面沿主轴周向布置三个位移传感器，切削加工前采集位移及主轴旋转角度信号，转换成转角间隔采样信号，采用三点法分离出被测圆表面的轮廓误差，提取两垂直位移传感器位移信号，计算安装偏心误差；由轮廓误差及安装偏心误差获取由被测圆表面引入的干扰信号；切削工况条件下采用插值法计算出主轴旋转角度对应的干扰信号，然后从切削工况下的位移信号中去除干扰信号，获得主轴轴心轨迹。该方法能够消除主轴速度波动对分离计算的影响，满足分离精度与回转误差快速分离的要求，实现了回转误差在线快速分离。
【专利说明】一种数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业设备运行状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种数控机床切削 工况下主轴轴心轨迹在线测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的不断发展，数控机床作为一种重要的加工装备正朝着高速、高精 度和高效率的方向发展。而数控机床的主轴性能对于机床的加工精度及加工稳定性有直接 的影响，特别是在高速加工领域，主轴运动性能优劣是影响加工质量的重要因素。
[0003] 数控机床主轴运动性能的降低可表现为主轴运动误差的增加大；主轴的运动误差 主要包括：与主轴轴线垂直的两个方向的平移运动误差，与轴线平行的轴向平移运动误差 及与两个转角运动误差。受主轴及轴承的制造、安装等结构因素及切削过程中主轴系统动 力学因素的影响，主轴回转中心在垂直于轴线的截面上形成一定的轴心轨迹。而这种垂直 截面上两个方向的运动误差拟合形成的轴心轨迹是主轴回转运动性能的直接体现。在数控 机床切削过程中在线测量主轴轴心运动轨迹对实现主轴运行状态监测、故障诊断、主轴动 平衡及工件加工质量的预测与补偿均具有重要的意义。
[0004] 由于主轴回转精度测试对机床性能、加工质量等方面都具有重要的现实意义，国 内外学者针对主轴回转精度的测量及回转误差的分离方法做了大量的研究工作，常用的方 法有：单点测量法、反向法、多步法、多点测量法等。在某一个表面测量主轴的回转精度，其 中耦合了两种误差分量，主轴回转误差及被测表面的轮廓误差。主轴回转精度获取方法就 是要在测量信息中去除被测圆表面引入的干扰信号，分离出主轴的回转误差。其测量和分 离的方法归纳起来可分为两大类，一类是使主轴回转误差固定，改变被测面轮廓误差相对 回转误差的起始角度进行测量，即全周等角转位法，在测点固定的前提下，通过转位工件或 转位主轴至既定测位工作的，如反向法及多步法。另一类是不改变被测面轮廓误差相对回 转误差的起始角度，而是在工件或主轴的圆周方向按设定的角度布置一个、两个、或多个测 点进行工作，如两点法、三点法、多点法等。虽然全周等角转位法中的多步法及改进的并联 多步误差分离法能够克服谐波抑制的问题，达到一定的分离精度，但是由于这种测量的方 法需要对被测件进行转位，所以并不适用于切削工况下机床主轴回转误差的分离。两点法 是回转误差测量中常采用的方法，通过在圆周上垂直布置两个位移传感器，直接测量主轴 回转误差在两个方向上的分量，其前提是假设被测件的轮廓形状误差非常小可忽略，因此 在采用这个方法时需要在主轴上安装标准球以作为被测件。这种方法只能在机床非工作时 间进行，测量的是机床主轴在非切削工况条件下，主轴的运行状态，对于分析主轴的结构特 性及故障分析有很好的帮助。但是在切削工况条件下，主轴除了受到主轴系统结构因素影 响外，还受到各种振动激励、切削力变化等主轴系统动力学特性的影响，使得主轴回转误差 随时间及工况在不断的变化，而这些因素的影响对于研究主轴的动力学特性，主轴动平衡 及预测加工质量有重要的价值。三点法是多测点法中的代表，可以在不影响主轴工作的情 况下，通过圆周上按特定角度布置的三个位移传感器测量的信息分离主轴回转运动误差， 满足回转误差在线测量的基本条件，但是三点法主要不足在于不能有效的分离回转误差中 的一阶谐波分量与被测件安装偏心所导致的一阶谐波分量，同时传感器分布角度可容忍的 误差范围很小，安装中如果产生误差容易造成某些阶次上的谐波抑制，因此传感器分布角 度需要严格计算，并对传感器安装要求较高。此外三点法以等时间间隔采样的信号做为分 析计算的基础，更适合信号在多个周期具有相同特征的情况，而在机床切削工况下，由于切 削力影响主轴速度波动增大，致使每个周期信号一致性差，仍采用等时间间隔采的信号进 行处理时，会增加回转误差的计算误差。同时三点法中采用傅里叶正变换与反变换计算时 间长，不利于在线实时的获取主轴的轴心轨迹。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法，该 方法能够消除主轴速度波动对分离计算的影响，同时满足分离精度与回转误差快速分离的 要求，实现了回转误差在线快速分离。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0007] 1)在数控机床主轴的被测圆表面，沿数控机床主轴圆周方向安装用于测量被测 表面的位移信号的第一、二、三位移传感器，且第一、二、三位移传感器的安装夹角选择原则 是：在被测圆表面轮廓误差的有效阶次中不造起除一阶谐波以外其它谐波抑制，第一、二位 移传感器的安装夹角为90° ;
[0008] 2)同步采集数控机床主轴在切削加工前旋转的旋转角度信号及被测圆表面第一、 二、三位移传感器的位移信号Si(t)、s2 (t)、s3 (t);
[0009] 3)将被测圆表面第一、二、三位移传感器的位移信号Sl(t)、s2(t)、s3(t)转化为对 应的转角间隔采样信号巧#)、&#)、，且，为等角度间隔的主轴旋转角度，t为时 间；然后米用三点法从转角间隔米样信号&(/))、&(〇)、.MO中分离出被测圆表面的轮廓 误差同时提取第一、二位移传感器所测得的被测圆表面的位移信号的一阶谐波分量， 根据偏心计算方法得到数控机床主轴的被测圆表面的安装偏心误差；
[0010] 由被测圆表面的轮廓误差及被测圆表面的安装偏心误差获取由被测圆表面引入 的干扰信号(歹），且
【权利要求】
1. 一种数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 在数控机床主轴的被测圆表面，沿数控机床主轴圆周方向安装用于测量被测表面的 位移信号的第一、二、三位移传感器（Sl，S2,S3)，且第一、二、三位移传感器（Sl，S2,S3)的 安装夹角选择原则是：在被测圆表面轮廓误差的有效阶次中不造起除一阶谐波以外其它谐 波抑制，第一、二位移传感器（Sl，S2)的安装夹角为90° ; 2) 同步采集数控机床主轴在切削加工前旋转的旋转角度信号及被测圆表面第一、二、 三位移传感器的位移信号Sl (t)、s2 (t)、s3 (t); 3) 将被测圆表面第一、二、三位移传感器（Sl，S2,S3)的位移信号sjt)、s2(t)、s3(t) 转化为对应的转角间隔采样信号S#)、5#)，且，为等角度间隔的主轴旋转角 度，t为时间；然后采用三点法从转角间隔采样信号s,(f)、&(歹)、5,(歹)中分离出被测圆 表面的轮廓误差I#)*同时提取第一、二位移传感器（Sl，S2)所测得的被测圆表面的位移 信号，根据偏心计算方法得到数控机床主轴的被测圆表面的安装偏心误差； 由被测圆表面的轮廓误差及被测圆表面的安装偏心误差获取由被测圆表面引入的干 扰信号r/(0)，且f/(0) =KW+pcosW+d');P为被测圆表面的偏心半径，S为被测圆表面 的偏心角度； 4) 在数控机床切削工况条件下，同步采集数控机床主轴的旋转角度及第一、二位移传 感器（S1，S2)所测得的位移信号，将第一、二位移传感器（S1，S2)所测得的位移信号转换为 第一、二位移传感器（Sl，S2)以主轴旋转角度为横坐标描述的位移信号； 同时，根据切削加工前由被测圆表面引入的干扰信号爾，）以及数控机床切削工况条 件下的数控机床主轴旋转角度，采用插值计算法获取数控机床切削工况下第一、二位移传 感器（Sl，S2)对应方向的干扰信号； 5) 在数控机床切削工况下，从第一位移传感器（S1)以主轴旋转角度为横坐标描述的 位移信号中去除第一位移传感器（S1)对应方向的干扰信号及第一位移传感器（S1)的直流 分量，得到XY坐标平面上，数控机床主轴径向回转误差在X坐标方向的分量，从第二位移传 感器（S2)以主轴旋转角度为横坐标描述的位移信号中去除第二位移传感器（S2)对应方向 的干扰信号及第二位移传感器（S2)的直流分量，得到XY坐标平面上，数控机床主轴径向回 转误差在Y坐标方向的分量，然后在XY坐标平面上，将数控机床主轴径向回转误差在X坐 标方向的分量和Y坐标方向的分量进行拟合，得到数控机床切削工况下主轴在切削工况下 的轴心轨迹；其中，XY坐标平面是由安装夹角为90°的第一、二位移传感器（Sl，S2)构建 的。
2. 根据权利要求1所述的数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法，其特征在 于：所述的步骤2)和步骤4)中数控机床主轴的旋转角度信号是通过旋转编码器（2)测定 的。
3. 根据权利要求1所述的数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法，其特征在 于：所述的步骤3)中将被测圆表面第一、二、三位移传感器（S1，S2,S3)的位移信号Sl(t)、 s2(t)、s3(t)转化为对应的转角间隔采样信号.V(歹）.、、.、?:(("7.)，是采用重采样法实现 的。
4. 根据权利要求1所述的数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法，其特征在 于：所述的步骤3)中被测圆表面的轮廓误差r(#)是采用如下方法获得的： 3. 1)将第一、二、三位移传感器的转角间隔采样信号s,(歹)、.s'2#)、.y_#7)进行加权求 和以去除信号中主轴回转误差信息，得到和函数其中，和函数歹)是采用下式得到 的：
f为第一位移传感器（S1)和第二位移传感器（S2)之间的安装夹角，t为第三位移传 感器（S3)和第一位移传感器（S1)之间的安装夹角； 3.2)将和函数s(0)进行傅里叶变换得到函数S(k)，根据函数S(k)和权函数W(k)得 到被测圆表面轮廓误差的傅里叶变换函数，然后将傅里叶变换函数进行傅里叶反变换得到 被测圆表的轮廓误差，?#);
k为频率分量的 序号。
5. 根据权利要求1所述的数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法，其特征 在于：所述的第一位移传感器（S1)的直流分量是由第一位移传感器（S1)与理想圆心距离 减去被测元表面平均半径得到的；第二位移传感器（S2)的直流分量是由第二位移传感器 (S2)与理想圆心距离减去被测元表面平均半径得到的。
【文档编号】B23Q17/00GK104400560SQ201410625285
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】陶涛, 徐新平, 梅雪松, 孙挪刚, 刘磊 申请人:西安交通大学