【摘 要】
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主轴单元是金属切削机床夹持刀具或工件执行切削加工的核心部件,其性能对机床的加工精度和效率具有决定性影响。由于主轴回转误差的复杂性以及对测量精度的高要求,数控机床主轴回转误差的测量成为了一项迫切而富有挑战性的任务。本文结合信号理论的最新进展,对数控机床主轴回转过程中的径向、轴向和倾斜误差的测量以及检验心轴圆度误差的分离进行了深入的探索研究,主要研究内容如下:（1）研究了Donaldson反向法准确分
【基金项目】
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国家科技重大专项“华中9型-新一代智能型数控系统研究开发及应用验证”（项目编号:2018ZX04035-002）课题；
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主轴单元是金属切削机床夹持刀具或工件执行切削加工的核心部件,其性能对机床的加工精度和效率具有决定性影响。由于主轴回转误差的复杂性以及对测量精度的高要求,数控机床主轴回转误差的测量成为了一项迫切而富有挑战性的任务。本文结合信号理论的最新进展,对数控机床主轴回转过程中的径向、轴向和倾斜误差的测量以及检验心轴圆度误差的分离进行了深入的探索研究,主要研究内容如下:（1）研究了Donaldson反向法准确分离圆度误差的前提条件和在数控机床主轴测量中的实现方法。提出了基于奇异性检测与主轴准停的检验心轴圆度误差分离方法。基于小波变换模极大值对测量信号进行奇异性分析,定位出主轴准停及旋转稳定阶段的信号,参考主轴准停信号从旋转稳定阶段信号的同步误差运动中分离出检验心轴的圆度误差。解决了目前的Donaldson反向法存在的传感器与检验心轴精确重定位困难和主轴编码器信号获取困难等问题。三坐标测量结果表明该方法能够将检验心轴圆度误差所引起的测量误差减小80%以上。（2）研究了数控机床主轴回转过程中刀尖点在径向与轴向的运动轨迹。提出了基于压缩感知与谱线插值的主轴径向与轴向误差测量方法。基于压缩感知理论将测量信号在频域内做自适应稀疏分解,过滤掉噪声等因素引起的微弱谱线,通过双谱线插值较正稀疏频谱的参数,进而得到主轴的径向与轴向误差。克服了目前的测量方法存在近似误差,易受噪声干扰等缺点。仿真分析表明该方法能有效提高主轴回转误差的测量精度,且不需要主轴转速传感器。（3）研究了数控机床主轴回转过程中轴线的倾斜误差运动特性。提出了基于奇异性检测与稀疏分解的主轴倾斜误差测量方法。在两个测量平面上分别测量主轴径向误差运动,利用上述提出的圆度误差分离方法从测量信号中去除检验心轴的圆度误差,利用上述提出的径向误差分解方法从测量信号中去除检验心轴的偏心误差,最终得到主轴的倾斜误差。检验心轴圆度误差轮廓线和主轴轴心轨迹线的分析验证了该方法的有效性。（4）分析了传感器精度和噪声、检验心轴圆度误差、传感器轴线对齐误差和检验心轴曲率等误差源所引起的测量不确定度。分析表明基于所提出方法的测量系统的最扩展不确定度在0.4μm以内,优于目前主流的SPN-300主轴测量系统。（5）完成了主轴回转误差测量系统的开发,并从主轴转速识别、径向与轴向误差测量三个方面对所开发的测量系统与SPN-300进行了详细的测试对比。测试对比表明所开发的主轴测量系统具有更高的主轴转速识别精度和主轴回转误差测量精度。
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