基于二次判别的高速主轴圆度检测系统设计

　　0 引言

　　圆度是轴类零件检测中形状误差的主要参数之一，是评定机械产品质量的一项重要指标。在线测量系统的出现，极大地提升了主轴现场检测的效率和检测质量。以某研究所“高速精密机床”项目为依托，设计了高速主轴在线检测系统。针对测量系统的精度要求，提出了传感器测量点数的选取问题，介绍了二次测量判别法的基本原理，并应用该原理进行了计算和试验。实践证明了64位点圆度误差估计的经济性和精度最佳。

　　1 设计方案

　　图1所示为检测系统设计方案。

　　传感器采取轴中心对称布局，实现变截面的即时测量。设计时，采用杠杆式直臂摆杆，降低了因摆杆的加工误差为测量结果造成的影响。此方案具有测量效率高、工艺尺寸容易保证、可检测要素多(直径、圆度、径向圆跳动、同轴度)等特点。系统工作时，顶尖支撑工件1并带动其匀速旋转。轴端的编码器负责记录转动角度，并输出到主控单元。等臂的测量杠杆两端有测头和传感器，在拉簧的作用下，测头与被测工件表面可靠地接触。工件被测要素变量按比例由杠杆传到另一端并被电感式微位移传感器测出。限位开关则为避免工件半径小于设计极限，设置了限位开关以避免侧头过分压向传感器。为测量精度的需要，在被测工件轴向上布置多组传感器，它们的间距可根据具体工件结构布置。

　　2 检测原理与圆度误差评定标准

　　由设计方案可知，传感器置于主轴两侧对心对称布置。被测对象由步进电动机驱动。采用多组传感器同时测量多个截面信息。所有信息经过计算机处理后得到最终检测信息[1]。

　　由图2可知: 截面采样点数量决定圆度测量效率，是测量精度的主要参数。采样点布置数量主要由被测对象表面形貌特征决定，表面形貌特征主要由表面粗糙度、表面波纹度和表面形状误差等成分构成。

　　圆度误差是指实际被测轮廓相对其理想圆的变动量。圆度误差评价在机械制造和在线检测领域中起着非常重要的作用。为了获得被测件的圆度误差值，一般要经过测量和评定两步。目前，圆度误差的评定最常用的有4种方法[2]: 最小二乘法、最小区域法、最大内切圆法和最小外接圆法。其中，最小二乘法因其理论成熟、算法简便易行等优点应用最为普遍，但最小二乘法并不能提供满足最小条件的圆度误差评定结果。其他三种方法还未形成统一的理论和有效的实现方法。由于这些评定方法的理论不足，在杠杆式接触在线测量应用方面，测量点数的选取多采用二次判别法原理确定。