摘 要

精密测量技术是精密加工技术的关键部分,也是精密加工技术中的热点与难点。其中，对主轴回转精度的检测和分析一直是国内外研究的重点。

本论文主要研究讨论了基于PSD的主轴回转精度检测方法,首先对国内外主轴回转误差检测技术的研究现状进行了阐述,在对比了几种误差检测方法的基础上,考虑测试对象实际情况，采用了单向测量法作为主轴回转误差检测方法，并以回转误差的特征值——回转精度来评定主轴回转误差。详细阐述了一维PSD传感器的工作原理，并列出了相应的理论公式和数据处理方法。搭建了基于PSD的主轴回转精度检测硬件系统,设计和开发了基于LabVIEW的主轴回转精度检测及分析软件并在此基础上进行实验,实现检测系统软硬件的连接、数据采集及处理、计算结果的显示及回转误差评定等功能。

关键词：主轴；单向测量法；PSD；回转误差

ABSTRACT

Precision measurement technology is a key part of precision machining technology, but also hot and difficult in precision machining technology. Among them, the spindle rotation accuracy of the detection and analysis has been the focus of research at home and abroad.

In this paper, we mainly discuss the detection method of spindle rotation accuracy based on PSD. Firstly, the research status of spindle rotation error detection technology at home and abroad is expounded. Based on the comparison of several error detection methods, considering the actual situation of the test object, The unidirectional measurement method is used as the spindle rotation error detection method. The working principle of one - dimensional PSD sensor is described in detail, and the corresponding theoretical formula and data processing method are listed. Based on the spindle rotation accuracy detection hardware system based on PSD, the spindle rotation accuracy detection and analysis software based on LabVIEW is designed and developed. The hardware and software connection, data acquisition and processing of the detection system, the display of the calculation result and the evaluation of the rotation error are realized.

Key words: Spindle; Unidirectional measurement method; PSD; Rotation error

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景和意义 1

1.2主轴回转误差测量技术的研究现状 1

1.3 课题主要研究内容及技术方案 2

第二章 主轴回转误差测量方法及PSD工作原理介绍 4

2.1主轴回转误差的相关概念 4

2.2主轴径向误差测量方法及原理 4

2.2.1打表测量法 4

2.2.2双向测量法 5

2.2.3 CCD测量法 5

2.2.4单向测量法 6

2.3一维PSD位置敏感探测器工作原理 7

2.4主轴回转误差的评定方法 9

2.4.1圆图像的圆度误差值 9

2.4.2最小包络圆的直径值 9

2.4.3.回转误差数据峰-谷值差 9

2.5本章小结 10

第三章 主轴回转误差检测系统的设计 11

3.1测试系统硬件部分构成 11

3.1.1 PSD位置敏感传感器选型 11

3.1.2数据采集卡 12

3.1.3上位机 13

3.2软件系统设计 14

3.2.1虚拟仪器与LabVIEW 14

3.2.2软件功能模块 14

3.2.3软件程序设计 14

3.2.4软件显示界面 16

3.3本章小结 17

第四章 实验研究 18

4.1实验方案 18

4.1.1实验系统 18

4.1.2实验目的 19

4.1.3实验内容 19

4.2实验数据与分析 19

4.2.1实验数据 19

4.2.2实验结果分析 22

第五章 总结与展望 23

参考文献 24

附录 26

致谢 31

第一章 绪论

1.1课题研究背景和意义

精密制造技术从侧面反映了一个国家的工业综合技术水平，精密制造技术的提高对于加快国家的经济发展具有不可忽视的作用。欧美及日本等工业发达国家竞相进行精密制造技术的研究与应用。通过精密制造技术，能够提高工件的加工质量、降低工作强度、提高生产效率、减小市场响应时间、改善工作环境,可以大大企业的市场竞争力。机床主轴的回转运动是指机床主轴部件在电机的驱动下绕其轴线做回转运动,对高精密机床的加工精度有着很大影响。在对工件进行精密加工时,由于切削用量很小,工件受力产生的变形量也小,因此在精密加工中机床主轴的回转运动通常是决定工件圆度误差的主要的一个影响因素。因此国内外一直在进行着对主轴回转误差检测分析方法的研究。

在传统的机械加工中,工件件的形状精度以及表面质量与主轴回转误差的大小有直接关系。主轴回转误差一直被作为评价机床总体性能的重要指标之一。研究发现:在机械精密加工中，零件的圆度误差大约有百分之三十到百分之七十是由机床主轴的回转误差造成的。并且机床的加工精度越高,主轴回转误差对工件圆度的影响也就越大。因此,主轴回转误差测量技术的研究对提升精密加工精度具有很重要的意义。

1.2主轴回转误差测量技术的研究现状

由于主轴回转误差对机床的加工精度具有很大影响，国内外的许多学者都在主轴回转误差的检测技术方面做了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。

国外方面, Bryan在1967年提出了一种基准球测量法，这种方法借助安装在主轴上的基准球对主轴回转误差进行测量^[1]。1972年，Donaldson提出了反转法误差分离技术，将采集到的数据中不同性质的误差分离出来^[2]。2002年Gao W,Sato E,Ohnuma T提出了带倾角三点法，通过此方法将主轴角度误差与径向误差进行分离,此方法比传统的三点法分离技术更适合对多自由度机床主轴回转误差进行检测^[3]。2006年，Eric R.Marsh,Jeremiah Couey,David A.Arneson等分别运用反转法、多点法与多步法进行了主轴回转误差的测量与分析，测量精度可以达到纳米级,并改善设计了传感器的安装角度^[4]。