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1、超精密空气主轴回转精度的测量与数据处理我所研制的超精密空气主轴（以下简称主轴）可用作超精密加工机床或高精度计量仪器的主轴系统。主轴采用先进的气体静压技术，径向轴承和双向止推轴承的各工作面均为静压气浮面，且经过严格的动平衡，因而实现了非接触的高精度回转，具有无振动、低噪音的特点。由于气膜对轴系零件加工误差的平均作用，因而轴系装配后的回转精度可以高于零件精度。对主轴主要技术指标主轴径向回转精度要求达到小于0.1m。这样高精度的指标，即使加工出来了，也难以测量出它的精度，因而给测量带来了极大的困难。通过几年的摸索、研究，终于用双向转位法测出了主轴径向回转精度（0.07m）。现将测量方法介绍给读者。1
2、 检测1.1 检测条件环境温度：201 每小时变化：0.1相对湿度：30%60%被测主轴在恒温室内定温时间不少于24h；被测主轴与标准器具的温差不大于0.2；被测主轴需安置在隔振基础上，周围无剧烈振动和冲击；供气压力稳定在0.40.02MPaq1.2 检测用仪器和器具 TESA电感测微仪（瑞士）（分辨率0.01m）， 标准玻璃球不圆度0.05m（英国圆度仪附件）1.3 检测方法采用双向测量法，测量装置如图1所示。图1 测量装置将标准玻璃球作为测量工具，通过可调偏心并能转位工装，固定安装在主轴上。电感测微仪测头从主轴回转轴线垂直方向对准球，并垂直于球面，调整球与轴系回转轴线基本同心。其偏心量越小
3、越好，一般在0.5m左右。第一步，测头从零度方向开始测量，均匀旋转主轴，从零开始每间隔10，i=0，10，20350。读出电感测微仪读数，测量35圈，取平均值X1（i）为反向前读数，然后轴系不动，球与测头各自相对于轴系转动180，即进行了反向，反向后球的偏心会有变化，重新调整偏心后测量35圈，取平均值为反向后读数X2（i）。第二步，从90方向开始测量，重复上述测量步骤，测量过程如图2所示。得Yi（i）为反向前读数，然后轴系不动，球与测头各自相对于轴系转动180，即从90转到270。得Y2（i）为反向后读数。图2 测量过程2 数据处理2.1 反向前、后读数相减除2得到的测量数据是消除了球不圆度影
4、响的轴系误差。2.2 消除常数项和偏心残差：一次富里哀级数系数：将计算结果展成富里哀级数：标准球安装偏心所造成的是一次谐波分量，去除零次和一次谐波得主轴各点的回转误差。Vxi=Vxi-axjcos（i）+bxjsin（i）Vyi=Vyi-ayjcos（i）+byjsin（i）2.3 X、Y向轴系误差合成以Vimax为最大回转误差。3 测量精度分析3.1 用双向测量法保留轴系一次直线谐和运动的消偏轴系回转时，由于振动等动态因素或轴系的结构因素所造成的响应，其中有一次谐波的成份，这是轴系误差运动的组成部分，对轴系使用时的精度和性能是有影响的，因而是不该消除的，要区分不同性质的一次谐波，就得用双向测
5、量法来测量轴系的回转误差，即传感器在间隔90位置安装，从X与Y两个互相垂直的分量中来观察和判别，而采用单向测量法是无法进行判别的。3.2 用平均值法减小偶然误差的影响轴系回转时不可能没有误差，为了减小偶然误差的影响，测量时无论是反向前还是反向后都测35圈，然后取平均值。3.3 用计算消偏法消除测量工具安装偏心所造成的安装误差在测量轴系回转精度时，既使标准球调整得与轴系回转中心非常同心，但不可避免地还是存在不同心度，不同心度的偏摆被位移传感器接收，混入测量数值中，这是由于装调引起的，不是轴系的误差，必须在数据处理时予以消除，消除的原则是球安装不同心的偏摆量是一次谐波。因此用计算法消除一次谐波成份
6、，也就消除了标准球安装位置不同的影响。3.4 应用误差分离技术、EST、消除标准球不圆度的影响在测量轴系的径向误差时，使用的是标准玻璃球作为工具球，因此测量数据中包含了工具球的不圆度，如果工具球的不圆度为轴系径向误差的三分之一以下，那么工具球的不圆度影响就可忽略不计。但是由于轴系回转精度的提高，已达到和标准球不圆度的数据相同甚至更高，很难制成精度更高的标准球。解决办法是采用误差分离技术，用适当的测量方法和数据处理方法，在测量数据中分离出消除工具球不圆度影响后的轴系径向误差。同时也可分离出消除轴系径向误差（主要是系统误差成份）影响的工具球不圆度。如果分离出的球不圆度和其它测量结果（如：圆度仪测量
7、）基本相符，说明测量设备和测量方法是正确的、可靠的。按同样的测量原始数据分离出的轴系径向误差也是准确的。反之，就可以发现疑问，查找问题。我们从测量主轴的实例中可以看出，分离出的球的不圆度为0.057m，和圆度仪测量的球不圆度0.05m，基本相符，可以说我们的测量方法是正确可靠的，其轴系径向误差也是准确的。4 测量结果测量结果见图3。经过多次测量，主轴径向回转精度为0.07m。图3 测量结果5 注意事项 调整标准球与轴系回转轴线同心时。偏心量不能太大，以免使用测头的移动量增大，造成测量仪器的使用范围过大而增大仪器误差。我们做过实验，当偏心量调到31.5m时，测得轴系回转精度为0.25m。当偏心量调到1.51m时，测得轴系回转精度为0.17m。当偏心量调到10.5m时，测得轴系回转精度为0.07m。所以对于高精度轴系的测试，偏心量要调到0.5m。 测力不能过大，避免测力对工件的影响和测量头伸缩时的机械惰性的影响。 主轴转动一定要均匀，每圈的采样位置要重合。
