基于误差分离的圆柱度精密测量技术研究

基于误差分离的圆柱度精密测量技术研究

黄红艳

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江哈尔滨150066

摘要：误差分离技术是二十世纪六十年代发展起来的形状误差精密测试技术，该技术的基本思路就是利用被测轮廓不变这一基本特点，应用一个或多个探头进行测量，经过适当的数学运算将测量信号中包含的被测工件的形状误差、机床或测量机构的运动误差予以区分，最终获得被测工件的形状误差，是一种提高误差要素的分离和被测圆柱体形状形貌重构问题，探讨圆柱度形状误差的评定方法，并对本文所提的圆柱误差分离及重构方法进行实验验证。

关键词：误差分离；圆柱度精密；测量技术

目前，在讨论了几种基于误差分离技术的截面圆度测量方法，依据误差分离过程和结果，分析了其特点和使用范围，认为三点法圆度误差分离技术在分离圆度误差方面是充分的。在此基础上，系统地研究了三点法圆度误差分离过程，在分离出被测零件圆度误差得到同时，成功地分离出了安装造成的偏心误差运动和回转轴的纯回转误差运动，解决了长期以来偏心误差运动无法与纯白回转误差运动分离的难题，提出了一种新型圆度误差分离算法-矩阵算法，该算法不采用传统解法中的傅立叶变换，直接求解线性方程组就可以得到截面圆度误差，对被测圆柱体形的重构基准，并依据坐标之间以及各截面之间的位置关系给出了圆柱体形貌重构方法。

1、误差分离的圆柱度精密测量技术相关内容

1.1研究的背景

精密和超精密加工技术是机械制造业最重要的组成部分之一，其不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，还直接影响机械产品的精度和表面质量及产品的使用性能，世界各国都非常重视发展精密和超精密加工技术，把它作为先进制造技术的优先发展内容。随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术、激光技术等在精密加工领域中深入应用，使得精密和超精密加工技术得到了极大的发展，并涌现出很多精密超精密加工方法和加工设备。但就一般情况来说，机械加工精度是靠机床的精度来保证的，这就要求机床应有比较加工工件具有更好的精度等级，但随着被加工零件的精度要求越来越高，机床的精度也越来越高，比如超精密加工机床中精度最高的主轴采用的是空气静压轴承，其实可以用精度可达到0.05mm，空气导轨的直线度可以达到0.1-0.2mm，空气静压丝杠分辨率可以达到0.01mm等，这些几乎已经达到了机床的精度极限。另外，机床精度的提高往往导致造价过高而难以实现，从而促使人们寻求比较经济适用的加工途径，误差补偿加工法正是这一需求发展起来的。

误差预防和误差补偿是提高精密加工的重要措施，误差预防是通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响的，机床达到一定精度后，再提高机床的精度需受很多条件的限制而往往难以实现。误差补偿是在误差分离的基础上，利用误差补偿装置对加工误差值进行静态和动态补偿，也消除误差本身的影响。补偿加工法可以突破机床元件加工精度的限制，也有利于控制成本。但要确定补偿的量就必须用到高精度的在线测量系统和测试装置。由此可见，精密测量技术是精密和超精密加工技术的关键环节。

1.2本研究的意义及课题根源

误差分离技术是二十世纪六十年代发展起来的一种精密测试技术，其基本思想就是利用被测轮廓不变的基本特征，采用一定的数学方法和算法传感器输出的、包含被测工件的形状误差以及测量机构运动误差的信息予以处理，最终将被测工件的形状误差和测量机构运动误差区分开，实现被测工件形状误差精密测量的技术。

在圆柱度仪上测量圆柱体的形状误差时，一方面被测圆柱体由回转工作台带动其旋转，以保证传感器能完整地测量每个截面的圆轮廓；另一方面，传感器还要沿着导轨进行轴向间歇移动，以保证测量一系列的截面。那么回转台的回转运动误差及导轨误差都会直接反映在传感器的输出信号中。比如能采用一定的方法，将传感器的输出信号中的回转运动误差及导轨误差予以剔出或分离，仅仅留下能反映被测圆柱形貌的真信号，这无疑会大大地提高测量精度。而误差分离技术就是能实现这种想法的基础技术。因此，基于误差分离技术的圆柱度精密测量具有一定的理论意义和实践意义，也将会有良好的应用前景。

1.3国内外研究现状

误差分离技术是日本学者在1966年提出来的，并应用于圆度误差的精密测量，他们将三个传感器以一定角度在被测截面上，然后将三个传感器的输出信号进行处理，分离出回转轴的回转运动误差，保留反映被测圆轮廓的真信号，从而获得了被测圆轮廓的圆度形状误差。这就是著名的三点法圆度误差分离技术。由于这种技术不但可以把被测工件的形状误差与回转轴的回转运动误差相互分离，还可以适用于在线测量，为误差补偿加工提供比较精确的数据，因而立刻引起了学术界和应用领域的极大兴趣，使得误差分离技术得到了广泛的研究和应用，并且取得了较大的进展。从圆度误差分离技术到直线误差分离技术、平面度误差分离技术以及圆柱度误差分离技术等领域均有成功的结果。

1.4目前存在的问题

由国内外研究现状及分析可以看出，基于误差分离的圆柱度测量方法的基本思路是：

①采用一定的误差分离方法完整地分离出能反映被测圆柱体真实形貌特征的一系列截面圆度误差。

②采用一定的方法获得很多截面位置。

③将各截面的圆度误差数据按照一定方法重新构造出被测圆柱的逼真形貌。但是比较遗憾的是，国内外基于误差分离技术的圆柱度测量方法还存在很多不足的地方。

2、三点发截面圆度误差分离技术

2.1多步法圆度误差分离技术

多步法圆度误差分离技术基于误差分离技术的圆度精密测量的重要方法之一，其基本思路为利用被测零件路轮廓不变这一特征，应用单个传感器实现相对移步测量，经过适当的数学运算，将被测工件的形状误差和机床或者测量机构的运动误差相互剥离，最终实现被测零件圆度误差的精密测量。

2.2多点法圆度误差分离技术

多点法圆度误差分离技术是基于误差分离技术的圆度精密测量中应用最早，最为成熟的误差分离技术之一，国内外学者进行了广泛的研究。其基本思路是利用被测零件轮廓不变这一特征，应该多个传感器同时拾取被测截面的测量信号，经过适当的数学运算，将被测零件的形状误差及机床或测量机构的运动误差。根据所用传感器的数量不同，多点法圆度误差分离技术课题分为三点法、二点法及四点法等圆度误差分离技术。

2.3三点法圆度误差分离技术的矩阵算法

在利用三个传感器测量零件的圆度误差时，三个传感器测量轴线的交点、被测截面的圆心及回转台的平均回转中心，实际上是同一平面内的三个点，尽管在测量之前可以细心调整，但三者完全重合是不可能的。如果要实现圆度误差的精密测量，必须要得到被测圆轮廓测量电的准确坐标，也就是在利用三点法得到被测截面的圆度误差信息的同时，还要明确被测圆轮廓中心信息。

小结

以上所述，在进行圆柱度测量时，产生随机噪声因素有很多，比如，振动、温度变化、传感器灵敏度的一致性等，这些随机噪声的频谱是全频带的，使得测量信号中混入比较多的高阶谐波分量。那么在关于空间直线度、圆柱度的评价算法目前还是处于探索阶段，本文中提出的网格搜索法虽然简单直观，但计量比较大，不适于快速评定，因此希望在以后的研究中，可以对算法程序进一步的优化，以此尽快应用于实际中。

参考文献

[1]雷贤卿.基于误差分离的圆柱度精密测量技术研究[D].西安理工大学,2016.

[2]黄景志.双参数圆轮廓测量模型和特征法位置误差分离技术研究[D].哈尔滨工业大学,2016.