点击上方“机械电子工程技术”关注我们

主轴在作转动运动时，在同一瞬间，主轴上线速度为零的点的连线，称为主轴在该瞬间的回转中心线，在理想状况下，主轴在每一瞬间的回转中心线的空间位置，相对于某一固定的参考系统（例如：刀架、主轴箱体或工具机的工作台面）来说，应该是固定不变的。但实际上，由于主轴的轴颈支承在轴承上，轴承又安装在主轴箱体孔内，主轴上还有齿轮或其它传动件，由于轴颈的不圆、轴承的缺陷、支承端面对轴颈中心线的不垂直，主轴的挠曲和工具机结构的共振等原因，主轴回转中心线的空间位置，在每一瞬时都是变动的。把回转主轴的这些瞬间回转中心线的平均空间位置定义为主轴的理想回转中心线，而且与固定的参考坐标系统联系在一起。这样，主轴瞬间回转中心线的空间位置相对于理想中心线的空间位置的偏离就是回转主轴在该瞬间的误差运动。这些瞬间误差运动的轨迹，就是回转主轴误差运动的轨迹。由此可见，主轴的回转精度，说明回转主轴中心线空间位置的稳定性特点。

1、主轴-刀具系统的结构

主轴-刀具系统（spindle-tooling system）是指机床主轴和刀具之间的接口系统，用于夹持和传递动力和扭矩。其结构主要包括以下几个方面：

主轴（spindle）：主轴通常由机床主轴部分和主轴本身组成，机床主轴部分位于机床主体内部，主轴本身则固定在机床外部。主轴负责传递动力和扭矩，并且可以旋转以满足不同加工需求。

中心套（center sleeve）：中心套通常用于支撑刀具，并且可以保持刀具在正确的位置和方向上。中心套通常位于主轴底部，同时与主轴连接。

刀柄（tool holder）：刀柄是一种用于夹持和固定的装置，通常由刀柄本身和夹紧装置组成。刀柄和夹紧装置可以和主轴连接，以便将精确定位并保持刀具的稳定性。

刀具（cutting tool）：刀具是一种用于加工工件的工具，通常由硬质合金或高速钢制成。刀具通过刀柄和夹紧装置夹持在主轴-工具系统的接口上，以便向工件施加正常力和切削力。

总之，主轴-工具系统结构简单而清晰，可以保证能够稳定地进行各种加工操作，并且提供必要的动力和扭矩来推进进行切削。

2、主轴-刀具系统的回转精度

主轴的回转精度是指电主轴旋转时所保持的稳定性和准确性。这个回转精度越高，就能够提供更加准确的旋转位置和速度，从而可以显著影响到夹持工具的表现。

如果电主轴的回转精度不够高，那么它会产生不同级别的误差，在夹持刀具上将导致以下问题：

位置偏移：电主轴的回转精度低会导致夹持工具在加工过程中出现位置偏移，从而影响加工质量。

加工速度降低：电主轴回转不平稳也会导致加工速度无法充分发挥，从而增加加工时间和费用。

加工件精度降低：电主轴回转不平稳还可能导致加工件尺寸精度不够高，从而无法满足客户的需求。

综上所述，电主轴的回转精度对夹持工具的准确性、效率和加工品质都有明显的影响。因此，在选择电主轴时应考虑其回转精度，以确保工具有最佳的表现。

主轴回转误差是指主轴的实际回转轴线相对其平均回转轴线，在规定的测量平面内的变动量。变动量越小，主轴的回转精度越高：反之，回转精度越低。主轴回转误差可以分解为三种基本形式：

端面圆跳动（轴向窜动）瞬时回转轴线沿平均四转轴线方向的轴向运动。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。

径向圆跳动瞬时回转轴线沿平行于平均回转轴线方向的径向运动。它主要影响圆柱面的精度。

角度摆动瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。在不同横截面内，轴心运动轨迹相似，它主要影响圆柱面和端面加工精度。

实际加工中的主轴回转误差是上述的三种误差基本形式的合成，故不同横截面内轴心的误差运动轨迹既不相同，又不相似；既影响所加工工件圆柱面的形状精度，又影响端面的形状精度。

在车床上进行内外圆车削，主轴径向跳动主要影响工件的同轴度误差，对工件圆度误差影响可以忽略不计；锤床上进行削加工，主轴径向圆跳动主要影响主轴表面粗糙度和径向圆跳动；取决于对刀仪或对刀方法的精度和切削加工参数的设置，高进给速度情况下影响加工表面粗糙度，对刀仪精度不高导致主轴半径补偿产生偏差，影响加工尺寸精度；主轴跳动对于钻孔加工的尺寸精度影响最大，导致钻孔轴线偏斜或者钻孔直径偏差。

3、回转误差的产生原因

主轴回转误差是制造业中常见的问题之一，它会影响加工精度和表面质量。其产生原因如下：

设计问题：主轴设计不合理，例如主轴刚度不足、扭曲刚度不足等。

制造问题：主轴的制造过程可能存在车削、铣削、热处理等方面的误差，导致主轴形状和内部应力分布不均匀。

装配问题：主轴安装或调整不当，例如轴向间隙不良、法兰平行度不好等。

使用问题：主轴在使用时受到外部力的作用，例如切削力、惯性力等，这些力量也可能引起主轴振动和变形，进而导致主轴回转误差的产生。

环境问题：周围环境温度和湿度等因素的变化，以及机械设备的震动和共振现象，可能都会对主轴的回转误差产生某种程度的影响。

4、回转精度的测量

随着社会生产力的发展，人们对制造业的要求不断提高，高新技术的不断涌现使得机床高速主轴的回转精度也不断提高，同时催生了各种回转精度测量方法。现在比较成熟的主轴回转精度的测量方法包括打表测量法、单向测量法、双向测量法、三点法、多点法以及 CCD 测量法等，都能取得比较好的测量效果。但是这些传统的测量方法一般是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，采集的数据包含主轴回转精度、标准球的安装偏心和形状误差三项，必须对数据进行误差分离才能得到回转精度，现有的回转精度测量是建立在误差分离技术上的，由于误差分离的不彻底，造成测量结果中包含有被 测标准球的形状误差等分量，测量精度受到很大的影响。

4.1打表法

机床主轴精度较低时，回转精度的常用测量方法是把特制的高精度测试棒安装到主轴锥孔中，在测试棒的表面和端面分别放置千分表。这种测量方法简易，但只得到主轴径向位移，并会混入机床主轴锥孔的偏心误差。由于是机械表手动获取测量值，测量过程很慢，不能完全反映出被测主轴工况状态下的回转精度信息，无法满足高速主轴回转精度测试需求。

4.2数字式单向测量法

单向测量法是在主轴的敏感方向上安装一个位移传感器测得，这种方法适用于固定敏感方向，即工件旋转刀具固定不动的一类机床，如车床。基准球跳动信号经位移传感器、信号调理模块、信号采集模块进入计算机，计算机用数字信号处理技术分离出位移信号中的偏心量e，得到接近真实的瞬时回转中心的运动信号，再将其叠加在一个人为确定的半价大小可调整的基圆上去形成圆图像，圆图像的数值评定结果就是主轴的回转精度。下图是数字式单向测量法原理图。

4.3双向测量法

机床主轴的回转误差运动是在二维平面上的运动，为了对其回转精度进行高精度测试，至少需要两个高精度位移传感器同时进行位移数据采集，并且要求两个位移传感器之间的夹角为90?，安装在被测主轴的径向方向。之后合成测得的位移数据，绘制出机床主轴的轴心轨迹图，进而求出回转误差。按上述要求，采用两个位移传感器测试被测主轴的回转精度的方法就叫做双向测量法。双向测量法在测量形式上只是多了一个方向的位移数据的单向测量法，同样没有考虑到被测主轴或标准测试件的形状误差，同时引入了被测主轴的锥孔偏心误差，在一定程度上导致了测试结果的精度不高，所以在实际应用中必须对其进行误差分离，才能得到较好的结果。

SJ6000激光干涉仪 自动精密转台

上图是激光干涉仪回转轴校准系统安装示意图，主要由SJ6000激光干涉仪主机、角度镜组、WR50自动精密转台、SJ6000回转轴测量软件构成。系统测量精度为?1″，测量分辨率可达0.01″，基准WR50自动精密转台重复精度为0.2″。

其测量过程可以概述为以下5步：

将WR50安装于回转轴中心，调整位置使偏心量尽可能小于0.1mm；

按图所示安装好角度反射镜，调节激光激光干涉仪位置。

编写机床程序，设置回转轴测量的目标点和暂停时间，在激光干涉仪软件中做好相应设置。

调整WR50置于零位，激光干涉仪读数置零。

开始运行机床程序，激光干涉仪同时自动采集数据，按照测量要求采集往返循环数据

4.4CCD 测量法

随着科技不断发展，机床主轴回转误差的测量方法中，除了用位移传感器对安装在机床主轴上的标准测试件进行单测点或多测点测量以获得位移数据外，出现了用光电技术对机床主轴回转误差的方法进行测量的方法，这种方法被称为电荷耦合器件（Charge Coupled Device）测量法，简称为 CCD 测量法。

CCD 测量法搭建的试验系统本质上为光电检测系统，构成模块包括：机床模块、被测光源模块、光电转换模块以及数据处理模块等。其中光电转换模块负责把光强信号换算成电压，由数据处理模块把电压转化为数字信号，即可计算得到光斑位置，计算出机床主轴的回转误差。

表回转精度测量方法对比

名称

优点

缺点

适用场合

打表测量法

操作简易

过程缓慢、精度低

低速低精度、静态测量

单向测量法

结果直观

引入测试棒形状误差、精度低

具有敏感方向的主轴回转精度测量

双向测量法

精度高、 操作简单

引入测试棒形状误差

高速高精度的主轴回转精度动态测量

CCD测量法

精度高、不会引入测试棒形状误差

装置复杂、 测量过程繁琐

高速高精密的主轴回转精度静态测量

机床主轴回转精度是衡量机械系统性能的重要指标，是影响机床工作精度的主要因素。机床主轴回转误差的测量技术对精密机械设备的发展有着重要作用。机床主轴的回转误差包括径向误差和轴向误差。轴向回转误差的测量相对比较简单，只需在机床主轴端面安装微位移传感器，进行一维位移量的测量即可。因此机床主轴回转误差测量技术的研究焦点一直集中在径向误差的精确测量上

想了解更多

赶紧扫码关注