超精密空氣主軸（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主軸）可用作超精密加工機(jī)床或高精度計(jì)量?jī)x器的主軸系統(tǒng)。主軸采用先進(jìn)的氣體靜壓技術(shù)，徑向軸承和雙向止推軸承的各工作面均為靜壓氣浮面，且經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡，因而實(shí)現(xiàn)了非接觸的高精度回轉(zhuǎn)，具有無(wú)振動(dòng)、低噪音的特點(diǎn)。

　　由于氣膜對(duì)軸系零件加工誤差的平均作用，因而軸系裝配后的回轉(zhuǎn)精度可以高于零件精度。對(duì)主軸主要技術(shù)指標(biāo)——主軸徑向回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到小于0.1μm。這樣高精度的指標(biāo)，即使加工出來(lái)了，也難以測(cè)量出它的精度，因而給測(cè)量帶來(lái)了極大的困難。通過(guò)幾年的摸索、研究，終于用雙向轉(zhuǎn)位法測(cè)出了主軸徑向回轉(zhuǎn)精度(0.07μm)�，F(xiàn)將測(cè)量方法介紹給讀者。

1　檢測(cè)

1.1　檢測(cè)條件

環(huán)境溫度：20±1℃　每小時(shí)變化：<0.1℃

　　相對(duì)濕度：30%～60%

　　被測(cè)主軸在恒溫室內(nèi)定溫時(shí)間不少于24h；

　　被測(cè)主軸與標(biāo)準(zhǔn)器具的溫差不大于0.2℃；

　　被測(cè)主軸需安置在隔振基礎(chǔ)上，周?chē)鸁o(wú)劇烈振動(dòng)和沖擊；供氣壓力穩(wěn)定在0.4±0.02MPaq　　

1.2　檢測(cè)用儀器和器具

　�、佟�TESA電感測(cè)微儀（瑞士）（分辨率0.01μm），

　�、凇�標(biāo)準(zhǔn)玻璃球不圓度≤0.05μm(英國(guó)圓度儀附件)

1.3　檢測(cè)方法

　　采用雙向測(cè)量法，測(cè)量裝置如圖1所示。

圖1　測(cè)量裝置

　　將標(biāo)準(zhǔn)玻璃球作為測(cè)量工具，通過(guò)可調(diào)偏心并能轉(zhuǎn)位工裝，固定安裝在主軸上。電感測(cè)微儀測(cè)頭從主軸回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)垂直方向?qū)��?zhǔn)球，并垂直于球面，調(diào)整球與軸系回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)基本同心。其偏心量越小越好，一般在0.5μm左右。第一步，測(cè)頭從零度方向開(kāi)始測(cè)量，均勻旋轉(zhuǎn)主軸，從零開(kāi)始每間隔10°，θ_i=0°，10°，20°～350°。讀出電感測(cè)微儀讀數(shù)，測(cè)量3～5圈，取平均值X₁(θ_i)為反向前讀數(shù)，然后軸系不動(dòng)，球與測(cè)頭各自相對(duì)于軸系轉(zhuǎn)動(dòng)180°，即進(jìn)行了反向，反向后球的偏心會(huì)有變化，重新調(diào)整偏心后測(cè)量3～5圈，取平均值為反向后讀數(shù)X₂(θ_i)。第二步，從90°方向開(kāi)始測(cè)量，重復(fù)上述測(cè)量步驟，測(cè)量過(guò)程如圖2所示。得Y_i(θ_i)為反向前讀數(shù)，然后軸系不動(dòng)，球與測(cè)頭各自相對(duì)于軸系轉(zhuǎn)動(dòng)180°，即從90°轉(zhuǎn)到270°。得Y₂(θ_i)為反向后讀數(shù)。

圖2　測(cè)量過(guò)程

2　數(shù)據(jù)處理

2.1　反向前、后讀數(shù)相減除2

　　得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是消除了球不圓度影響的軸系誤差。

2.2　消除常數(shù)項(xiàng)和偏心

　　殘差：

一次富里哀級(jí)數(shù)系數(shù)：

　　將計(jì)算結(jié)果展成富里哀級(jí)數(shù)：

 

　　標(biāo)準(zhǔn)球安裝偏心所造成的是一次諧波分量，去除零次和一次諧波得主軸各點(diǎn)的回轉(zhuǎn)誤差。

ΔV_xi=V_xi-[a_xjcos(θ_i)+b_xjsin(θ_i)]

ΔV_yi=V_yi-[a_yjcos(θ_i)+b_yjsin(θ_i)]

2.3　X、Y向軸系誤差合成

　　以ΔV_imax為最大回轉(zhuǎn)誤差。

3　測(cè)量精度分析

3.1　用雙向測(cè)量法保留軸系一次直線(xiàn)諧和運(yùn)動(dòng)的消偏

　　軸系回轉(zhuǎn)時(shí)，由于振動(dòng)等動(dòng)態(tài)因素或軸系的結(jié)構(gòu)因素所造成的響應(yīng)，其中有一次諧波的成份，這是軸系誤差運(yùn)動(dòng)的組成部分，對(duì)軸系使用時(shí)的精度和性能是有影響的，因而是不該消除的，要區(qū)分不同性質(zhì)的一次諧波，就得用雙向測(cè)量法來(lái)測(cè)量軸系的回轉(zhuǎn)誤差，即傳感器在間隔90°位置安裝，從X與Y兩個(gè)互相垂直的分量中來(lái)觀(guān)察和判別，而采用單向測(cè)量法是無(wú)法進(jìn)行判別的。

3.2　用平均值法減小偶然誤差的影響

　　軸系回轉(zhuǎn)時(shí)不可能沒(méi)有誤差，為了減小偶然誤差的影響，測(cè)量時(shí)無(wú)論是反向前還是反向后都測(cè)3～5圈，然后取平均值。

3.3　用計(jì)算消偏法消除測(cè)量工具安裝偏心所造成的安裝誤差

　　在測(cè)量軸系回轉(zhuǎn)精度時(shí)，既使標(biāo)準(zhǔn)球調(diào)整得與軸系回轉(zhuǎn)中心非常同心，但不可避免地還是存在不同心度，不同心度的偏擺被位移傳感器接收，混入測(cè)量數(shù)值中，這是由于裝調(diào)引起的，不是軸系的誤差，必須在數(shù)據(jù)處理時(shí)予以消除，消除的原則是球安裝不同心的偏擺量是一次諧波。因此用計(jì)算法消除一次諧波成份，也就消除了標(biāo)準(zhǔn)球安裝位置不同的影響。

3.4　應(yīng)用誤差分離技術(shù)、EST、消除標(biāo)準(zhǔn)球不圓度的影響

　　在測(cè)量軸系的徑向誤差時(shí)，使用的是標(biāo)準(zhǔn)玻璃球作為工具球，因此測(cè)量數(shù)據(jù)中包含了工具球的不圓度，如果工具球的不圓度為軸系徑向誤差的三分之一以下，那么工具球的不圓度影響就可忽略不計(jì)。但是由于軸系回轉(zhuǎn)精度的提高，已達(dá)到和標(biāo)準(zhǔn)球不圓度的數(shù)據(jù)相同甚至更高，很難制成精度更高的標(biāo)準(zhǔn)球。解決辦法是采用誤差分離技術(shù)，用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法，在測(cè)量數(shù)據(jù)中分離出消除工具球不圓度影響后的軸系徑向誤差。同時(shí)也可分離出消除軸系徑向誤差（主要是系統(tǒng)誤差成份）影響的工具球不圓度。如果分離出的球不圓度和其它測(cè)量結(jié)果(如：圓度儀測(cè)量)基本相符，說(shuō)明測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法是正確的、可靠的。按同樣的測(cè)量原始數(shù)據(jù)分離出的軸系徑向誤差也是準(zhǔn)確的。反之，就可以發(fā)現(xiàn)疑問(wèn)，查找問(wèn)題。我們從測(cè)量主軸的實(shí)例中可以看出，分離出的球的不圓度為0.057μm,和圓度儀測(cè)量的球不圓度0.05μm,基本相符，可以說(shuō)我們的測(cè)量方法是正確可靠的，其軸系徑向誤差也是準(zhǔn)確的。

4　測(cè)量結(jié)果

　　測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，主軸徑向回轉(zhuǎn)精度為0.07μm。

圖3　測(cè)量結(jié)果

5　注意事項(xiàng)

　　①　調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球與軸系回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)同心時(shí)。偏心量不能太大，以免使用測(cè)頭的移動(dòng)量增大，造成測(cè)量?jī)x器的使用范圍過(guò)大而增大儀器誤差。我們做過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)偏心量調(diào)到3～1.5μm時(shí)，測(cè)得軸系回轉(zhuǎn)精度為0.25μm。當(dāng)偏心量調(diào)到1.5～1μm時(shí)，測(cè)得軸系回轉(zhuǎn)精度為0.17μm。

　　當(dāng)偏心量調(diào)到1～0.5μm時(shí)，測(cè)得軸系回轉(zhuǎn)精度為0.07μm。所以對(duì)于高精度軸系的測(cè)試，偏心量要調(diào)到0.5μm。

　　②　測(cè)力不能過(guò)大，避免測(cè)力對(duì)工件的影響和測(cè)量頭伸縮時(shí)的機(jī)械惰性的影響。

　�、邸≈鬏S轉(zhuǎn)動(dòng)一定要均勻，每圈的采樣位置要重合