基于虚位数据法的主轴径向回转误差分离研究

　　机床主轴回转误差是指主轴的瞬间回转轴线相对于平均轴线(处于瞬时回转轴线的平均位置处)的位移,反映了主轴回转时轴心线在空中所产生的运动误差,其中径向回转误差包括纯径向跳动和纯角度摆动,是影响加工误差的主要原因.目前国外加工中心和数控机床的主轴精度达到2Lm以下,国内同类设备的主轴精度与之相比差距较大,究其原因,除了设计、制造和装配上的原因外,主轴装备检测手段的差异是一个主要的技术差距,所以方便、及时地测出主轴回转误差,提高加工精度,就显示出十分重要的意义.基于此,我们提出了在主轴回转误差测试时,把虚位数据应用于误差分离技术中,从而一方面可以提高主轴径向回转误差的检测精度,另一方面使得测试过程灵活简单.

　　1 误差分离技术

　　目前对于机床主轴回转误差的测量方法主要有静态测试法、动态测试法和在线误差补偿检测法,其中动态测量法是在主轴处于旋转状态下,动态地测出主轴回转精度,是比较常用的方法.测试时往往采用一个基准球(标准球)作为测试基准,安装2~3个传感器,测量数据包括主轴回转误差、标准球的安装偏心和形状误差;对于混入的形状误差和安装误差有时会掩盖掉微小的主轴回转误差,所以必须要通过误差分离技术对采集的测量数据进行处理才能得到主轴的回转误差.

　　误差分离技术(EST)是通过信息源变换或模型参数估计的方式,使有用的信号分量与误差分量相分离的一种测量技术.误差分离技术模型如图1所示.

　　使用误差分离技术不仅能在临床测量中就地分离出工件的形状误差和装备的运动误差,而且在纳米级测量和建立虚拟量仪中的地位更加重要.误差分离的方法可以归纳为多步法和多点法,传统的多步法和多点法中,采用的几乎都是实位数据,即按照测头相对于装备和工件在测量中的实际位置读出数据,并且直接使用这些实位数据建立测量读数方程,然后进行后续的分离运算;又由于误差分离系统受其传递特性的限制,分离通常并不充分,存在着先分离形状误差和运动误差,再相互印证的需要.在这种情况下,提出虚位数据法显得很有必要.实际工作中对机床主轴进行误差分离的目的是进行机床装备诊断,我们只要求掌握装备运动部件(主轴)的运动误差,并不太在乎形状误差大小,在这种情况下,提出虚位数据法很有必要.

　　2 虚位数据法

　　实位数据(actual-position reading),即当地数据,在多点法EST中是传感器测头所在的各原始测位处所采集到的读数;在多步法EST中是指传感器按系统要求移步到各指定位置处的测头所采集到的读数.实位数据的特点是形状误差的读数起点随测头的实际位置而变化,运动误差的起点都相同.虚位数据(virtual-position reading),即异地数据,是将已获得的上述实位数据做整体的空间再移位后得到的数据,空间移位相当于时域上再时延,其特点是形状误差的读数起点和运动误差的起点均随空间再移位而同时变异.