主轴回转精度测量方法

摘 要: 首先介绍了各种机床主轴回转精度测量方法及其原理，包括单点法、双点法、三点法、虚拟仪器法、

CCD 法和轴向窜动误差的测量; 然后介绍了测量数据的处理和误差分析方法，指出各种测量方法的

特点，并总结了各种测量方法的一般性选择原则。

关键词: 主轴回转精度 测量 数据处理 误差分析

产品制造精度的提高，对于机床加工精度的要求

越来越高。机床主轴回转精度的检测是机床设计、制

造、调整和维修的重要环节，是提高机床加工精度的重

要措施。机床主轴回转精度的测量及误差分析一直是

机床行业关注的热点。国家标准 GB/T 20957． 4 － 2007

文件对主轴回转轴线给出了明确的定义［1］，在此不作详

述。主轴回转的运动误差主要有轴向窜动、径向跳动和

角度摆动 3 种形式，分别对加工精度造成影响［2］。

目前测试机床主轴回转精度的方法主要分为静态

测试法、动态测试法和在线误差补偿检测法［3 － 4］。静

态测量法( 如打表法) 简单，但实际参考价值小，目前

已较少使用。动态测试方法现已较为成熟，测量结果

实际参考价值高精确性好，广泛应用于现场检测。在

线误差补偿检测法将检测结果直接用于控制切削补偿

量，往往集成到机床内部作为系统闭环控制的反馈检

测环节使用，方法复杂。

1 主轴回转精度的动态测试方法

在众多的动态测试方法中，国内外较普遍的是使

用电容或电感涡流传感器对安装在主轴上的标准球进

行单点或多点测量，近年来随着科学技术的发展也出

现了一些新的主轴回转精度测试方法: 基于虚拟仪器

的测试方法、基于 CCD 系统的测试方法等，下面都将

一一介绍。

1． 1 单点法

( 1) 单向法

基于工件回转的主轴，只安装位于敏感方向上的

一个传感器，叫做单向法。把比主轴回转精度至少高

一个数量等级的基准球或基准环安装在主轴上，然后

相对于基准球安装一个传感器，此两者之间的距离

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* 国家自然科学基金资助( 50675155)· 177 ·

的变化值转变为可以反映机床主轴回转精度的电信

号，然后进行去误差和消偏处理，得出测量值。

( 2) 单点双向法

此方法在单点法基础上进行了改进，精度有所提

高。测量原理如图 1 所示。

以主轴上位置 2( 图 1a) 为起始位置进行测量，得

出相应的误差信号为 T1 ( θ) ，可以表示为

T1 ( θ) = R( θ) + d( θ) + r( θ) ( 1)

式中: R( θ) 为测量基准的形状误差; d( θ) 为测量基准

的偏心误差; r( θ) 为主轴回转精度。然后将测头转过

180°( 图 1b) ，以相同的位置 2 开始测量，得到相应的

误差信号 T2 ( θ) 为

T2 ( θ) = R( θ) + d( θ) － r( θ) ( 2)

将式( 1) 和( 2) 等号两边相减可得出只包含回转

误差 r( θ) 的信号，

r( θ) =［T1 ( θ) － T2 ( θ) ］/2，再进

行必要的频谱分析，消除干扰误差的影响，便能得到主

轴回转精度［5］。

1． 2 两点法( 双向法)

( 1) 正交两点法

对于刀具回转类主轴，加工误差敏感方向随着刀

具的旋转在各个轴向横截面的 360°上变化。相对安

装在被测轴上的基准球，在两个相互垂直坐标方向上

安装 2 个固定不动的 X 与 Y 传感器，此为正交双向

法，见图 2。两个传感器把主轴回转误差转变为电信

号输入到各自的测量仪，产生两个信号 dx和 dy为

( 3)

当偏心量 e 大于误差运动 r( θ) 数倍时，直接将放大后

的 dx和 dy输入电子示波器，使之形成以偏心量 e 为半

径的基准圆上叠加了误差运动 r( θ) 的圆图像。当 e

小于或接近 r( θ) 时，为了不仅仅反映轴心运动的轨

迹，可以利用基圆发生器来提供基圆信号，基圆发生器

发出的与回转轴同步的正余弦信号分别与 dx和 dy相

加后送入示波器以形成圆图像，进行误差分析［6］。

( 2) 直线两点法

高精度测试时，加工出比主轴精度更高的基准球

或基准轴很困难，故可以采用两传感器直线布置如图

3 所示，这样可以利用误差分离技术进行测试，降低基

准轴的加工要求。此方法可称为直线式两点法。

两个特性非常接近的电容式位移传感器 S1和 S2

在圆周方向相隔 180°对称安装，主轴回转一圈采样 n

个点，所测信号包括被测件圆度误差信号 R( θ) 和主轴

回转误差信号 e( θ) 。开始位置如图 3a 所示，传感器

分别测得第 O 点的信号 S1 ( θ0 ) 和 S2 ( θ0 ) 为

S1 ( θ0 ) = R( θ0 ) + e( θ0 ) ( 4)

S2 ( θ0 ) = R( θ0

－ π) － e( θ0 ) ( 5)

对于高精度主轴( 若为滚动轴承支撑，忽略滚珠

等因素的影响) ，可认为主轴上同一点的径向回转误

差运动在同一方位大小不变，故主轴转过 180°如图 3b

时 ，两传感器测得的第( n / 2 ) 点的信号S1 ( θn/2 ) 和

S2 ( θn/2 ) 分别为

S1 ( θn/2 ) = R( θ0

－ π) + e( θ0 ) ( 6)

S2 ( θn/2 ) = R( θ0 ) － e( θ0 ) ( 7)

将式( 4) 和( 7) 线性迭加，即可得到主轴第 O 点的回转

误差信号 e( θ0 ) 和被测件的圆轮廓信号 R( θ0 ) :

e( θ0 ) = ［S1 ( θ0 ) － S2 ( θn/2) ］/2

( 8)

R( θ0 ) = ［S1 ( θ0 ) + S2 ( θn/2) ］/2

( 9)

依照式( 8) 和( 9) 类推，可测得被测件上各点的误差

值［7］。

( 3) 任意角度法

此方法摒弃了基准球和基准环，其中一个传感器

安装在实际加工时的敏感方向上，另一个传感器以任

意 Φ 角度安装，传感器交点位于瞬时回转中心平均位· 178 ·

置上，然后进行信号与数据的处理，得出测量结果［8］。

1． 3 圆弧极板型差动式电容传感器法

该方法是一种主轴回转精度实时测量方法，其工

作原理如图 4 所示，该方法具有差动式配置，又在主轴

上如图中 A － A'和 B － B'所示两截面处配置了相同的

对置式电容传感器以检测位移，电容的极板为圆弧状，

中心角为 π/3 = 120°。研究人员已经证实主轴轴线延

线上任意截面 C 处的径向回转误差运动 r( θ，

z) 只取

决于各传感器所在的两截面上的主轴回转误差运动 r

( θ) 和 rB ( θ) 的下列加权和差演算:

1． 4 三点法

用 3 个位移传感器( 其延长线交于主轴轴心线一

点) 布置在主轴周围，传感器之间的夹角为 Φ 和 τ，对

3 个传感器的输出信号进行变换处理从而得出主轴的

回转误差。此方法无需基准球，没有基准球的形状和

偏心误差，测量精度较高。但是传感器数量较多，所需

机械装置的加工精度高，装夹调试、数据处理不是很方

便［10］。

1． 5 基于虚拟仪器的测试方法

该方法特点在软件部分，可使用  等编写

程序，分为 3 大模块: 数据采集; 数据处理; 结果显示及

评定，每个模块又由一些小的部分组成［11］。使用虚拟

仪器技术编写的应用程序是基于分层设计的理念、模

块化的方法开发出来的，更换和测试都非常方便，免去

了在测试不同转速的机床回转误差时需要不断更换滤

波器的类型和参数才能找到合适的滤波器。虚拟仪

器可以很方便地设计出数字滤波器对偏心进行分离，

以达到良好的测试效果。硬件部分如传感器等与以上

方法类似，不同之处在于配置有插入式 PCI 数据采集

卡( ) 的计算机，用于快速高效完成数据采集、取

样和转换及后期处理。 软件图形化的编程

语言使得即使不熟悉编程的工程技术人员仍能很快地

连接出所需功用的程序，既可以进行数据的处理也能