基于运动误差的3-D表面形貌检测方法

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.12.007

摘要/Abstract

摘要：

主轴运动误差会降低被加工表面的质量和被加工轮廓的动态精度.通过对数控车床主轴运动误差的分析和研究，提出了一种基于运动误差的车削工件3-D表面形貌检测方法.仿真结果表明，该检测方法在求解主轴回转误差和工件表面形貌时具有很高的计算精度，可将工件表面形貌与主轴径向跳动误差和倾角摆动误差分离.为了验证该检测方法的可靠性，搭建了3-D表面形貌检测平台采集实验数据，之后通过分离算法得到了工件表面形貌数据和数控车床主轴运动误差.最后，分析了实验中异步误差和传感器误差对工件表面形貌检测结果的影响.

关键词: 主轴运动误差, 表面形貌检测, 误差分离, 表面重构, 误差分析

Abstract:

The spindle motion error will reduce the quality of the machined surface and the dynamic accuracy of the machined profile. A 3-D surface morphology detection method for turning workpieces based on motion error was proposed after analyzing and studying the spindle motion error of the CNC lathe. The simulation results showed that the detection method has high calculation accuracy in solving spindle rotation error and workpiece surface profile and can separate the workpiece surface profile from spindle radial runout error and tilt swing error. In order to verify the reliability of the detection method， a 3-D surface topography detection platform was built to collect experimental data， and then the workpiece surface topography data and the motion error of the CNC lathe spindle were obtained by a separation algorithm. Finally， the effect of asynchronous error and sensor error on the results of surface morphology inspection of the artifacts in the experiment were analyzed.

Key words: spindle motion error, surface morphology detection, error separation, surface reconstruction, error analysis

中图分类号:

TH 161

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图/表 15

图1 主轴的运动误差

Fig.1 Spindle motion error

图2 检测原理（a）—检测原理；（b）—工件截面a；（c）—工件截面b.

Fig.2 Detection principle

图3 算法处理前的数据（a）—截面1的表面形貌；（b）—截面2的表面形貌；（c）—沿x方向跳动误差；（d）—沿y方向跳动误差；（e）—绕x轴的摆动误差；（f）—绕y轴的摆动误差.

Fig.3 Data before the algorithm processing

图4 传感器的理论读数

Fig.4 Theoretical reading of the sensor

图5 算法处理后的数据（a）—截面1的表面形貌；（b）—截面2的表面形貌；（c）—沿x方向跳动误差；（d）—沿y方向跳动误差；（e）—绕x轴的摆动误差；（f）—绕y轴的摆动误差.

Fig.5 Data after the algorithm processing

图6 算法处理前后的数据对比

Fig.6 Data comparison before and after the algorithm processing

图7 异步误差的影响

Fig.7 Effect of the asynchronous error

图8 测试系统

Fig.8 Test system

图9 不同传感器测量的位移信号（a）—旋转前；（b）—旋转后.

Fig.9 Displacement signals measured by different sensors

图10 工件的表面形貌（a）—截面1；（b）—截面2.

Fig.10 Surface topography of the workpiece

图11 主轴运动误差（a）—沿x方向跳动误差；（b）—沿y方向跳动误差；（c）—绕x轴摆动误差；（d）—绕y轴摆动误差.

Fig.11 Spindle motion error

图12 工件3-D表面

Fig.12 3-D surface of the workpiece

图13 随机误差对截面形貌的影响（a）—截面1；（b）—截面2.

Fig.13 Effect of random error on the surface topography

表1 M对计算结果的影响 (μm)

Table 1 Effect of M on the calculation result

截面	M=60	M=80	M=100	M=120
1	4.281 1	4.281 3	4.281 3	4.281 4
2	5.441 9	5.442 3	5.442 4	5.442 4

表2 Δ对计算结果的影响 (μm)

Table 2 Effect of Δ on the calculation result

截面	Δ=0°	Δ=0.5°	Δ=1°
1	4.281 4	4.281 5	4.281 9
2	5.442 4	5.442 4	5.442 5

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