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