機床主軸熱誤差、圓度誤差與回轉誤差的分離與處理方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控機床加工誤差處理領域，具體涉及一種機床主軸熱誤差、圓度誤 差與回轉誤差的分離與處理方法。
【背景技術】
[0002] 主軸作為精密加工中心、高精度旋轉電機、大型汽輪發(fā)電機等超精密裝備或大型 基礎裝備的關鍵部件，其性能的好壞直接影響機床加工精度、穩(wěn)定性和應用范圍。其中主軸 的徑向測量誤差包含了熱誤差、圓度誤差及回轉誤差三項誤差。
[0003] 如發(fā)明專利（201410223092. X)公開了一種可分離安裝偏心的主軸回轉誤差測量 方法與裝置，該方法是基于三點法原理得到主軸圓度誤差除一階諧波以外的其它分量，再 根據所提供的算法進行二次分離，將安裝偏心從回轉誤差中分離出來，得到主軸的純回轉 運動誤差值。發(fā)明專利（201410340992.2)公開了一種主軸回轉誤差測試分析系統(tǒng)，該方法 是激光位移傳感器獲取位移信號，利用三點法誤差分離技術對采集信號進行分離，分離出 圓度誤差和回轉誤差。
[0004] 以上專利僅僅分離出了主軸徑向的圓度誤差和回轉誤差，未分離出主軸徑向熱誤 差。又如專利（201210219768. 9)公開了一種機床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)及測試方法，其在 機床主軸箱上布置多個溫度傳感器并在機床主軸端部和徑向布置多個位移傳感器，將采集 的溫度和位移信號擬合成多條曲線，選取溫度值與熱誤差值最具線性關系的曲線確定最佳 測溫點，采用最佳測溫點的數(shù)據建立線性函數(shù)，從而分離出熱誤差。
[0005] 但是，上述文獻中均未對主軸徑向測量誤差中包含的熱誤差、圓度誤差及回轉誤 差三項誤差進行同時分離，對此本發(fā)明提出了一種機床主軸熱誤差、圓度誤差與回轉誤差 的分離與處理方法。

【發(fā)明內容】

[0006] 發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種機床主軸熱誤差、圓度誤 差與回轉誤差的分離與處理方法，操作方便，誤差分離精度高。
[0007] 技術方案：一種機床主軸熱誤差、圓度誤差與回轉誤差的分離與處理方法，四個溫 度傳感器、四個電渦流傳感器均勻分布，實現(xiàn)機床主軸溫度及位移信號的采集；在某一轉速 下，設定傳感器的采樣時間，將獲取的位移信號周期截斷后作差分處理，得到主軸徑向的熱 位移，再根據溫度信號可建立主軸徑向熱誤差的模型，最終分離出熱誤差δ 2、δ 3、δ 4;
[0008] 具體包括如下步驟：
[0009] (1)在主軸徑向上，四個溫度傳感器、四個電渦流傳感器沿圓周均勻分布，機床 主軸工作在某一轉速時，設定傳感器的采樣時間，實現(xiàn)機床主軸溫度及徑向位移信號的采 集；
[0010] (2)對主軸徑向位移信號等周期截斷后作差分處理，得到主軸徑向的熱位移誤差， 運用最小二乘方法建立熱誤差模型，從徑向位移誤差中分離出熱誤差；
[0011] (3)對四個電渦流傳感器采集到的主軸徑向位移信號加權求和構造函數(shù)關系式， 通過離散傅里葉變換分離出主軸的圓度誤差；
[0012] (4)將測得的數(shù)據減去圓度誤差與熱誤差，分離出主軸的回轉誤差。
[0013] 作為優(yōu)化：運用四點誤差分離，0為四個電渦流傳感器31、52、心5 4的交點，建立以 〇為原點、X軸與傳感器Si軸線重合的x-y坐標系，被測件輪廓曲線以極坐標表示，極點0' 為被測面的最小二乘圓心，旋轉軸逆時針轉動，某時刻0'的極坐標與X軸夾角為θ，α、β、 γ分為電渦流傳感器S2、S3、54與S滿夾角；
[0014] 電渦流傳感器采集的數(shù)據A( 0)、B(0)、C(0)、D(0)中包含圓度誤差、回轉誤差 和熱誤差，所以有下列方程：
[0018] 式中：3(0)為圓度誤差，艮（0)、&(0)為回轉誤差在^7方向的分量，51、5 2、 δ 3、δ 4為熱誤差。
[0019] 作為優(yōu)化：所述步驟（2)中熱誤差的分離，具體如下：
[0020] 在某一轉速下，設定傳感器的采樣時間，將獲取的位移信號等周期截斷后作差分 處理，得到主軸徑向的熱位移，再根據溫度信號可建立主軸徑向熱誤差的模型，最終分離出 熱誤差。
[0021] 作為優(yōu)化：所述步驟（3)圓度誤差的分離，將沿圓周均勻布置的4個電渦流位移 傳感器獲取的數(shù)據加權求和后，構造函數(shù)式F ( Θ ) = A ( Θ ) +b*B ( Θ ) +c*C ( Θ ) +d*D ( Θ )，對 F( θ )進行離散傅里葉變換，分離出主軸圓度誤差S( θ );具體如下：
[0022] 將Α( θ )、Β( Θ )、C( Θ )、D( Θ )加權求和，并取系數(shù)b、c、d，得到：
[0023] F ( Θ ) = A ( Θ ) +b*B ( Θ ) +c*C ( Θ ) +d*D ( Θ )
[0024] =S(9)+b*S(9+90° )+c*S(9+180° )+d*S(9+270° )
[0025] +RX ( Θ ) * (1-c) +Ry ( Θ ) * (b-d)
[0026] + δ i+b* δ 2+c* δ 3+d* δ 4
[0027] 其中：S( Θ )+b*S( Θ+9〇。）+c*S( Θ+l8〇。）+d*S( Θ+27〇。）為圓度誤差分量；
[0028] 要分離出圓度誤差，需使：
[0030] 由上式可解得 b = d = -(51+53)/(52+34)，c = 1;
[0031] 求解出a、b、c、d的值并代入方程得到：
[0032] F( Θ ) = S( Θ )+b*S( Θ+90。）+c*S( Θ+180° )+d*S( Θ+270° )
[0033] 對上式進行離散化處理，得：
[0036] N為每轉采樣點數(shù)
[0037] 再進行離散傅里葉變換得：
[0041] 對其進行傅里葉反變換得到圓度誤差
[0042] S ⑴=IDFT[Sf(k)]。
[0043] 作為優(yōu)化：所述步驟⑷回轉誤差的分離，將已分離出的熱誤差、圓度誤差 代入關系式：Rx(9) = = B(0)-S(0+9O ° )-S2，Rx(0) = -C(0)+S(0+18O° )+S3，Ry(0)=-D(0)+S(0+27O° )+δ4，分離出機床主軸的回轉 誤差在X軸、Υ軸方向的分量Rx( θ )、Ry( θ );具體如下：
[0044] 根據上述步驟將分離得到的熱誤差和圓度誤差代入方程求解，
[0051] 有益效果：本發(fā)明采用徑向布置四個電渦流傳感器可提高誤差分離的精度，可快 速實現(xiàn)機床主軸徑向熱誤差、圓度誤差和回轉誤差的分離，且比常用的三點法誤差分離方 法具有更高的精度。
【附圖說明】
[0052] 圖1是機床主軸誤差測量傳感器布置及測試原理圖；
[0053] 其中，?\、T2、T3、T4為四個溫度傳感器，S p S2、S3、54為四個電渦流傳感器。
[0054] 圖2是本發(fā)明四點誤差分離示意圖。
[0055] 圖3是本發(fā)明誤差分離流程圖。
【具體實施方式】
[0056] 下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0057] 實施例
[0058] 如圖1-3所示，TpH T4為四個溫度傳感器，選擇美國DALLAS公司生產的數(shù)字 式集成溫度傳感器DS18B20,其為數(shù)字信號輸出，檢測精度較高，耐磨耐碰，體積小，使用方 便。3 1、52、53、54為四個電渦流傳感器，選擇選取東華測試有線公司的1)!1901電渦流傳感器， 其輸出信號為-5~+5V的電壓信號，可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、響應速度快、不受 油水等介質的影響。將四個溫度傳感器和四個電渦流傳感器沿主軸徑向均勻分布，傳感器 采集的信號