空气静压球面轴承主轴回转精度测试研究

夏欢，陶继忠

(中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)

自20世纪60年代以来，随着原子能、航天、微电子、信息及生物工程等新兴科学技术的发展，加工精度越来越高，从毫米到微米、亚微米，现在已经发展到纳米水平，并向着原子晶格尺寸(亚纳米)水平迈进[1]。加工精度的高指标，使得对加工机器和测量仪器的精度要求越来越高，进而推动了高精度加工设备的发展。气体静压轴承作为高精密加工、测量设备主轴系统的重要组成部分，得到了深入研究和广泛应用。

机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准,其误差直接影响着机床的整机性能和被加工工件的加工精度。试验结果表明[2]：精密车削的圆度误差约有30%～70%是由主轴回转误差引起的，而且精密车削所用的机床精度越高，工件圆度误差中由主轴回转误差所引起的比例越大。主轴的实际回转中心线对其理想回转轴线的偏离,广义地称为主轴的回转误差[3]。在理想情况下,主轴回转轴线的空间位置,相对于某一参考系统(如刀架)而言,是不应随时间变化的。而在实际工作中,由于主轴部件制造精度和刚度的影响,主轴回转轴线的空间位置总是在变动的,即总是存在着回转误差[4]。因此，对机床特别是精密机床的主轴回转精度的研究具有重要意义。下文首先介绍了空气静压球面轴承的结构和提高性能的改进方案，然后分别对径向回转误差、轴向窜动误差和角度摆动误差进行了测量。

1 气体静压球面轴承主轴结构

气体静压球面轴承主轴系统结构如图1所示，主要由壳体、节流器、球面半球、转子、调整垫片和动平衡校正盘组成。为了保证密封，球面节流器与壳体之间采用圆锥面配合，再用压紧端盖将节流器压紧在壳体上；安装前预装配转动部件，即在转子上安装双半球和调整垫片，采用螺母锁紧，测量两球心间距离，选择适当厚度的调整垫片；拆卸转动部件更换合适的调整垫片后再与壳体安装到一起，最后在半球上安装动平衡校正盘，用以解决构件的不平衡问题。主轴与试验台连接时，以壳体的台阶面作为固定约束面，实现主轴系统和试验台的刚性连接。

1—动平衡校正盘；2—半球；3—压紧端盖；4—球面节流器；5—调整垫片；6—进气孔；7—壳体；8—主轴图1 空气静压球面轴承主轴系统结构示意图

空气静压球面轴承主轴系统的工作原理为：压缩气体通过进气孔进入环形气腔，再通过球面节流器上均布的环形小孔进入润滑间隙，形成气膜压力，以支承转子和其他负载。

为进一步提高球面轴承的性能，主要从以下3个方面改进空气静压主轴的结构。

(1)在球面节流器上先加工直径3 mm的小孔，再在小孔中低于节流器表面30～40 μm处粘接节流塞，节流塞上加工有直径0.1 mm的小孔。这样既减小了加工难度又可以在气体进入轴承间隙之前，先充满直径3 mm的气腔，再流向工作间隙，起到二次节流的作用。为保证节流孔与气膜间隙之间的匹配关系，一般采用直径0.1～0.2 mm的小孔，气膜间隙与小孔直径相匹配取8～20 μm，根据不同结构尺寸，气膜间隙有所不同。

(2)为消除零件在加工和装配过程中产生的累计误差，在其中一个半球底部设有调整垫片，这样就可以在所有零件加工好后，装配壳体和节流器，实测两球面节流器球心间距离，再装配主轴、调整垫片和半球，实测两半球的球心间距离，确定调整垫片的厚度尺寸，以保证气膜间隙的均匀性。

(3)为避免材料本身的不均匀性导致加工零件的重心不在其几何中心上，从而影响主轴的回转精度，在主轴的上下分别加上动平衡校正盘，盘上开有燕尾槽，通过在燕尾槽添加校正质量块，消除转子的动不平衡量。

2 主轴回转精度的测量方法及原理

2.1 主轴的径向回转误差

为了更准确地测量空气主轴的径向回转误差，尽量减小被测截面圆度误差对测量结果的影响，采用标准球作为被测对象。将标准球及偏心调整工装固定在空气主轴上，调整偏心误差在1 μm以内，测量空气主轴的回转精度。

径向回转误差测量方法如图2所示，使球心与转子的回转轴线的偏心量小于1 μm；位移传感器通过磁力表座固定在台架上，并使传感器的测头在水平方向上通过标准球的球心。

图2 径向回转误差测试图 图3 轴向窜动误差测试图

测试所得信号中除了噪声以外包含3种成分：偏心误差、圆度误差和回转误差。目前，消除偏心的方法主要有最小二乘法和消一次谐波法。最小二乘法的原理是先找出图形的最小二乘拟合圆心，再将图形平移至拟合圆心以达到消除偏心的目的。由于实际测得的图形不是理想圆，而且平移并不改变图形形貌，无法消除偏心引起的心形凹陷，因此采用最小二乘法来消除偏心的影响是不恰当的；只有当主轴转子轴线与实际回转轴线同轴，即e=0时，测量图形为理想圆，最小二乘法消除偏心的方法才适用。由于偏心对误差测试信号的影响是向测试信号中加入了较强的一次谐波成分和较弱的二次及高次谐波成分，当偏心小于1 μm时，偏心引起的二次以上谐波幅值在10-5μm数量级，可以忽略不计，因此采用消一次谐波法消除测试信号中的偏心所产生的影响。而圆度误差与主轴回转误差都具有比较宽的频带，不容易区分清楚。

2.2 主轴的轴向窜动误差

轴向窜动误差测量方法如图3所示，同样采用标准球作为被测对象。将陶瓷标准球及偏心调整工装固定在空气主轴上，调整偏心误差在1 μm以内，竖直放置位移传感器并保证测头通过标准球球心，移动传感器测头同时观察读数，找到读数最大点。这样就使位移传感器的测头接触到标准球的最高点。进行测量并采集数据，采用消一次谐波法消除测试信号中的偏心所产生的影响，得到轴向窜动误差。

2.3 主轴的角度摆动误差

角度摆动误差的测量方法如图4所示，采用直径60 mm的平晶作为被测对象。将按120°粘有3个标准球的三爪卡盘放置在空气主轴上，调整偏心误差在1 μm以内；调节三爪卡盘，使3个标准球最高点的高度差在1 μm以内；再将平晶放置在标准球上，用三爪卡盘轻轻锁紧，进行测量并采集数据，采用消一次谐波法消除测试信号中的偏心所产生的影响，得到轴向窜动误差。

图4 角度摆动误差测试图

3 测量结果

试验采用的气浮主轴主要应用在转台方面，气浮转台的转速一般为每分钟几转，相对较低，相当于主轴的静态性能。

采用瑞士TT80接触式电感测微仪，其分辨率为0.01 μm，要求主轴的转速≤10 r/min，将传感器的测头接触主轴上的标准球或平晶进行测量。选用美国Quatech公司的DAQP-12型数据采集卡，其具有12位分辨率，采样率可达100 kHz。陶瓷标准球误差为0.07 μm，将标准球固定于标准球座上。再通过偏心调整工装将标准球座与主轴相连接，并利用偏心调整工装调整标准球球心与主轴回转轴心的偏心量。

半球半径50 mm，球面节流器采用每排8个进气孔的双排环形气腔，小孔直径d取0.2 mm，气腔边长3 mm，供气压力0.5 MPa，环境温度为20 ℃时主轴匀速转动，转速为6 r/min情况下，空气主轴径向回转误差的测量处理结果如图5所示。图中，虚线代表原始测量结果，有明显的一次谐波成分；实线为经过一次谐波分离后的结果。

图5 径向回转误差测量结果

采用同样的方法，在同样的试验环境下，测量空气主轴轴向窜动误差和角度摆动误差。经过消除一次谐波处理后得到的3种误差结果见表1。

表1 主轴的回转误差 μm

从表1可以看出，采用文中方法得到的主轴径向回转误差、轴向窜动误差和角度摆动误差均比较小，其中一次分量的偏心影响可通过消一次谐波法来消除，轴向窜动误差和角度摆动误差经过消一次谐波法消除安装偏心后也得到了比较理想的结果。

4 结束语

对设计的空气静压球面轴承主轴进行了径向回转误差、轴向窜动误差和角度摆动误差的测试，并采用消一次谐波法消除安装偏心，得到了比较理想的测试结果，同时也验证了该主轴设计的合理性。