立式加工中心主轴动态误差的测试及研究

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Test and research of vertical machine center S dynamic errorsLIU Kuo，WANG Guanming，MA Xiaobo(State Key Laboratory，Shenyang Machine Tool(Group)Co.，Ltd.，Shenyang 1 10142，CHN)Abstract：The reason of principal spindle S dynamic errors is analyzed.Principal spindle S radial average erorsand asynchronous erors，axial average errors and asynchronous erors，minimum radial separation een-ter of some vertical machine center are al tested by SPN-300 of API.The three test results of principalspindle S dynamic erors in different rotating speeds are presented.The test results are analyzed at last。

Keywords：Principal Spindle，I Dynamic Eror；Radial Eror；Axial Eror精密机床的质量，撒于其关键部件的质量，而精密主轴部件是保证精密机床加工精度的核心。主轴动态误差直接影响到机床的工作性能和寿命 、工件圆度、表面粗糙度和平面度等，可以用来预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差并判断产生加工误差 的原 因。

国内外很多学者对主轴的动态误差进行了深入研究。张明l 对空气静压主轴回转误差测量理论、测试试验技术等进行了研究；伍良生等 提出了-套主轴回转精度的动态测试系统；孙艳芬 分析了主轴回转误差对工件加工精度的影响；彭万欢等 分析了主轴偏心的影响和作用原理，并提出了合适的偏心消除方法 。

本文通过对机床主轴回转误差的基本形式及其对工件加工精度影响进行分析的基础上，对不同转速下的主轴回转误差进行了大量试验，并结合主轴的动态特性测试结果进行了分析，为机床的切削参数优化提供数据和理论基矗1 主轴动态误差的形式在理想情况下主轴回转时，主轴轴线的空间位置是固定不变的。但是机床主轴在实际工作中，由于轴承轴颈的圆度、轴承之间的同轴度、主轴的挠度等误差，使主轴回转轴线的位置发生变化。

主轴动态误差包括 3种形式的误差：径向跳动误差、轴向窜动误差和角度摆动误差。通常情况下，这 3种形式的误差并不是单独存在，而是以-种综合结果体现，产生的加工误差也是 3种形式影响的叠加，也称为主轴轴心漂移 。

2 主轴动态误差测试采用 API SPN-300主轴动态误差分析仪对主轴动态误差进行测试。测试系统包括测试软件、3个电容式传感器(分别测试 2个径向误差和 1个轴向误差)、校准夹具和电源拈等。测试的动态响应可达25 kHz，采样速率为256 000次/s，主轴最高测试转速为 60 000 r/min。

具体测试的误差项目为主轴 2个方向的径向平均误差和异步误差、轴向平均误差和异步误差。平均误差是主轴运动极坐标图的平均轮廓线，代表机床在理想切削条件下所能加工出工件的最好圆度。异步误差是总误差运动对平均误差运动的偏离，代表在理想切国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB736003)；科技重大专项(2011ZX04016-021)等等 j O平冤I删 · 15 ·工艺与检测Techn010gy 0nd Tesf削条件下机床所能获得的加工表面粗糙度。

下面对某立式加工中心进行主轴各项误差测试，图 1为主轴动态误差的测试现常图1 主轴动态误差测试图对主轴在50、1O0、3O0、500、750、1 000、1 500、2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 5006 000、6 500、7 000、7 500、8 000 r/min的转速下分别测试主轴动态误差，每种转速下测试 3次。图2为主轴在50 r/min时的测试结果。

将主轴误差的测试结果进行整理 ，主轴径向平均表 1 主轴径向动态误差测试结果转速/ 径向异步误差/mm 径向平均误差/mm(r/min) 第-次 第二次 第三次 第-次 第二次 第三次测试 测试 测试 测试 测试 测试50 0.114 0.113 0.113 0.0l0 0.009 O.0ll1O0 0.239 0.205 O.188 0.022 0.007 O.0l7300 0.004 0.005 0.005 O.0ll O.0lO O.0l1500 0.005 0.006 0.005 O.0l0 O.01O O.0l1750 0.006 0.005 0.005 0.011 0.O10 0.010l 000 0.005 0.005 0.005 O.Ol1 0.011 0.010l 500 0.005 0.004 0.005 0.011 0.O1l 0.0l12 000 0.005 0.005 0.006 0.Ol1 0.010 0.0102 500 O.Ol2 0.008 0.007 0.O1l 0.O11 0.O113 000 0.006 0.007 0.006 0.O11 0.O11 0.0113 500 0.007 0.008 0.007 0.O12 0.011 0.0124 000 0.007 0.008 0.007 O.0l2 O.0l2 0.0l24 500 0.007 0.007 0.007 O.0l1 0.011 O.Ol15 000 0.007 0.007 0.007 0.006 0.006 0.oo55 50o O.oo8 O.o07 O.O13 O.0o9 O.OO9 O.o96 000 0.007 0.007 0.007 O.O1O 0.009 0.0096 500 0.066 0.023 0.073 0.027 0.028 0.0257 000 0.029 0.067 0.029 0.028 0.026 0.0267 500 0.065 0.071 0.070 0.026 0.028 0.0308 000 0.050 0.050 0.050 0.030 0.030 0.030· l56 ·误差和异步误差测试结果如表 1所示。

n i 41ra m 1Ar Rzd 1 En0018mmAxia1 Asvn E ·0275hnm1Arerze ialE～ 。

0040(mm)Minimmn Radial SeoarationlMRSl：0OShnmlle Nale：5o-ITe8t Da12/19/2011hin ID：850Te Sveed：4800hnm1NlberofRerdntion：20Test Axis：x('De ：图2 50 r/rain的主轴动态误差将数据导人 MATLAB，绘制主轴径向平均误差和异步误差与转速的关系曲线，如图3和图4所示。

表2 主轴轴向动态误差测试结果转速/ 径 异步误差/mm 径向平均误差/mm(r/min) 第-次 第二次 第三次 第-次 第二次 第i次测试 测试 测试 测试 测试 测试50 0.275 0.273 0.272 0.040 0.034 0.034loo 0.273 0.274 0.273 0.039 0.053 0.039300 0.Ol1 0.0l2 0.0l2 O.014 O.0l5 0.014500 0.O1O O.0ll O.0ll O.014 O.014 0.014750 0.O1O O.0l1 O.0l O.0l4 O.014 O.0141 000 0.010 0.O11 0.O1O 0.014 0.014 0.O14l 500 0.010 0.009 0.Ol0 0.O14 0.O14 0.0142 ooO O.0lO O.0l0 O.0l0 O.014 0.014 O.0142 500 O.0l7 O.018 O.0l7 O.0l5 O.0l5 O.0l53 oo0 O.02O O.0l7 O.0l8 O.015 0.015 O.0l53 500 O.0l6 O.0l7 O.0l8 0.014 0.014 O.0l54 ooO O.017 0.016 0.017 0.015 O.0l4 0.0l54 500 0.Ol6 0.0l5 O.0l6 O.014 O.Ol5 O.O155 000 0.016 O.Ol6 O.0l5 O.Ol3 O.Ol3 0.O135 500 0.017 0.015 O.Ol5 0.0l6 O.O15 0.0146 000 0.016 0.016 0.015 0.O14 O.O16 0.0146 5oo 0.017 O.O16 0.017 0.016 0.014 0.0137 ooO 0.0l6 0.O17 0.O16 0.Ol3 0.O14 O.0147 500 O.017 0.014 0.020 0.014 0.014 0.0108 ooO 0.020 0.O10 0.020 0.O10 0.O10 O.0l0将数据导入 MATLAB，绘制主轴轴向平均误差和异步误差与转速的关系曲线，如图5和图6所示。

O.03自0.0250.O2账O.O15O.O1O.OO5主轴转速/(r/min)图3 主轴径向异步误差对比O 2 000 4 000 6 000 8 000主轴转速/(r/min)图4 主轴径向平均误差对比主轴转速/(r/rain)图5 主轴轴向异步误差对比主轴转速/(r/min)图6 主轴轴向平均误差对比主轴最卸向间距的测试结果如表 3所示。

将主轴最卸向间距的数据导人MATLAB，绘制/-丝 圭2013年第 1期表 3 主轴最卸向间距测试结果转速/ 最卸向间距/mm(r/min) 第-次测试 第二次测试 第三次测试50 0.005 0 0.001 1 O.0o2 9lo0 0.008 7 0.000 5 0.005 8300 O.0oo 4 0.000 1 0.000 l500 0.000 4 0.000 3 0.0oO 2750 O.0oo 3 O.00o 2 0.000 31 cHDO 0.000 3 0.000 7 O.ooO 11 500 0.000 5 0.000 4 0.000 22 00o 0.000 7 0.000 4 0.000 52 500 0.000 2 0.000 3 0.000 23 0oo O.0o1 4 O.ool 2 O.ooO 43 5oo 0.000 6 0.000 1 0.ooO 14 000 0.000 7 0.000 6 0.000 94 500 0.00l 0 0.000 3 O.ooO 25 000 0.000 3 0.000 2 0.000 25 500 0.001 1 0.000 9 O.0oo 966 000 0.000 7 0.000 6 0.000 56 500 O.1O1 1 O.107 9 0.103 47Ⅸ)o 0.104 8 O.O98 l 0.103 O-7 500 0.100 3 0.104 5 0.100 08 0oo O.110 0 O.11O O O.11O 0主轴最卸向间距与转速的关系曲线，如图7所示。

3 误差分析主轴转速/(r/min)图7 主轴最卸向间距对比从图3和4中可以看出，主轴径向误差随转速的变化较大，这是因为转速的提高将产生附加径向载荷或变形，并且主轴径向刚度相对较弱导致的。

从图5和6中可以看出，主轴轴向误差随转速的变化较小，这是因为转速的提高并不直接产生附加轴(下转第 160页)· 157 ·gg椭 球唇 暴州 露 厘 暴州 gg 政星舞暴州 目g糊 霉 世暴暴生产过程中零件的计划产量和生产时间与实际产量和生产时间在生产线过程中的各个阶段进行统计分析，从而达到改进与确定零件在生产线的工艺流程以确保加工装配过程中，无论是在产量还是在时间节点上计划与实际相匹配的目的。生产线成组配套管理信息系统在现代专机生产企业中必不可少，而且能解决以下问题 ：(1)经济性 方便高效地制定工艺流程，及时准确地查看在制品及外购件到货和库存的信息，使得生产计划人员能够及时合理地安排生产，管理者能够随时查看到当前的车间生产情况，以及对库房信息的及时了解掌握，得以控制成本。

(2)预警性 规范企业的现有业务流程，对生产线的业务流程进行信息化管理，以预防缺货，减少浪费。

(3)分辨特殊原因 根据生产线成组配套情况分析未能配套的具体原因。

(4)合理安排生产计划 分析实际生产需要，合理地安排生产线的生产计划。

(5)继承性 分析车间生产模型，设计车间管理系统数据库，并为企业实施 ERP系统留下接口。

(6)及时性 及时准确提供库房信息，监视投产零件加工进度，保证生产线的生产及时性，进而保证整体装配、调试进度 。

(7)客户端处理能力 报表定义语言(Report Def-inition Language，RDL)的语言。Microsoft将这种报表的后缀定为 RDLC，RDL仍然是 RepoDefinition Lan-guage的缩写，C代表 Client-side Processing，凸显了它的客户端处理能力。

5 结语生产线成组配套管理技术，改变了传统的专机生产线的装配管理模式。以往的生产线装配-般都是由人工进行零件的粗略统计，且库存信息不能实时反映给生产线装配车间，往往会造成零件库存种类和数量不满足生产线装配需求而影响了生产线的装配进度或零件数量冗余增加了成本。本文则实时有效地监控生产线在生产过程中零件的库存、生产、订货及入库信息，并将信息保存到数据库，并能及时发现生产过程中的问题，采取适当的改善措施，在发生问题之前，消除问题或减低问题带来的损失。打破部门间的时空界线，加强各部门之间的协作，更好更有效地管理企业，可以用来克服以前通讯障碍，进而改进专机生产线成组配套管理信息系统的能力和效率。