專利名稱：超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器制造及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離方法與裝置。
背景技術(shù)：
圓柱度測(cè)量?jī)x器主軸回轉(zhuǎn)誤差、立式導(dǎo)軌直線度、導(dǎo)軌與回轉(zhuǎn)軸線之間的平行度是構(gòu)成圓柱度測(cè)量?jī)x器的三大誤差源。在這三項(xiàng)誤差源中，導(dǎo)軌直線度可以通過激光監(jiān)測(cè)法、平晶分離法等方法來修正補(bǔ)償，平行度可以通過反向法或標(biāo)準(zhǔn)柱倒置法來預(yù)先修正，而主軸回轉(zhuǎn)誤差迄今為止仍未找到行之有效的方法來修正和補(bǔ)償。事實(shí)上，圓柱度儀主軸的回轉(zhuǎn)誤差已成為制約圓柱度儀測(cè)量精度提高的最大障礙。
圓柱度測(cè)量?jī)x器不僅要求回轉(zhuǎn)主軸單一截面內(nèi)有較高的回轉(zhuǎn)精度，而且要求其在軸向(Z向)測(cè)量高度范圍內(nèi)的任一截面處都要有較高的回轉(zhuǎn)精度。由于受工藝水平的限制，目前儀器主軸的回轉(zhuǎn)精度只能達(dá)到(0.020+0.0003H)μm(其中H為截面高度，單位為mm)的暫時(shí)極限制造精度，此項(xiàng)誤差對(duì)于超精密圓柱度測(cè)量?jī)x器的影響則較大，如對(duì)圓柱度測(cè)量不確定度要求達(dá)0.1μm/100mm的基準(zhǔn)型圓柱度儀，該項(xiàng)誤差占據(jù)儀器總不確定度測(cè)量誤差的50％以上，達(dá)0.050μm/100mm，成為超精密圓柱度儀最大的誤差源。因此，提高超精密圓柱度儀回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)的精度時(shí)，除了提高回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)本身的基礎(chǔ)制造精度外，還應(yīng)采用誤差分離的方法對(duì)其空間回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行分離。
儀器回轉(zhuǎn)主軸的空間回轉(zhuǎn)誤差通常由圖1所示的(a)徑向回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)、(b)角回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)、(c)軸向誤差運(yùn)動(dòng)、(d)扭動(dòng)回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)四種形式迭加而成，空間各輪廓截面間的誤差運(yùn)動(dòng)形式已無線性相似性，如圖2所示，很難通過線性關(guān)系，由兩個(gè)截面的軌跡輪廓求得第三個(gè)截面的軌跡輪廓。因此，研究適應(yīng)于圓柱度測(cè)量?jī)x器回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差實(shí)時(shí)分離的方法與系統(tǒng)，將成為進(jìn)一步提高圓柱度儀測(cè)量?jī)x器精度的關(guān)鍵。
目前，儀器主軸誤差分離技術(shù)和系統(tǒng)的研究，都是針對(duì)儀器主軸的單一圓輪廓截面進(jìn)行的，其典型代表為英國泰勒公司生產(chǎn)的具有誤差分離功能的Taylor73圓度儀測(cè)量系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5置于圓度測(cè)量?jī)x器工作臺(tái)面6上，工作臺(tái)面6位于儀器基座10上，被測(cè)工件(標(biāo)準(zhǔn)球)4位于誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5上，誤差分離時(shí)，調(diào)整誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5和被測(cè)工件4，使誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5回轉(zhuǎn)軸線、工件4回轉(zhuǎn)軸線和圓度儀主軸1回轉(zhuǎn)軸線在同一軸線上，調(diào)整主軸支架7和傳感器調(diào)整機(jī)構(gòu)2使傳感器3處于合適的量程范圍。誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5每30°轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)位，每一轉(zhuǎn)位傳感器3完成一周測(cè)回，共轉(zhuǎn)12轉(zhuǎn)位，完成12周測(cè)回，經(jīng)過多步法數(shù)據(jù)處理后即可得到主軸回轉(zhuǎn)誤差和工件誤差，即實(shí)現(xiàn)了圓度儀主軸1回轉(zhuǎn)誤差和工件4誤差的精確分離。
上述圓輪廓誤差分離技術(shù)和系統(tǒng)，尚不能對(duì)圓柱度測(cè)量?jī)x器的空間回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行有效分離。如圖4所示，其原因如下1)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5和圓柱度測(cè)量?jī)x器回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)系統(tǒng)12彼此獨(dú)立，需分離回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，構(gòu)成的誤差分離系統(tǒng)難以與回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)集成為一體，由于誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)控制導(dǎo)線11的影響，分離過程勢(shì)必需要人的介入，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分離時(shí)間長，誤差環(huán)節(jié)增多；2)現(xiàn)有的誤差分離方法如多步法(常用12轉(zhuǎn)位)、反向法等進(jìn)行空間回轉(zhuǎn)誤差分離時(shí)，分離過程復(fù)雜，分離時(shí)間長，引入的各類漂移較大；3)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5將被測(cè)工件4抬高h(yuǎn)，增加了測(cè)量鏈，犧牲了回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)原有精度，如軸向尺寸增大，角回轉(zhuǎn)誤差成倍增加等；4)調(diào)整困難，每次測(cè)量均需調(diào)整誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5和被測(cè)工件4，使誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)5的回轉(zhuǎn)軸線、工件4回轉(zhuǎn)軸線和圓柱度儀主軸回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)15回轉(zhuǎn)軸線在同一軸線上，對(duì)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)的制造精度也提出了很高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有技術(shù)的不足之處，以滿足高精度圓柱度儀回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)(主軸)空間運(yùn)動(dòng)誤差分離的需求，本發(fā)明提出通過對(duì)超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行Z向逐截面分離的方法，使其達(dá)到減小空間回轉(zhuǎn)誤差的目的。
本發(fā)明還提供一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，它將圓度誤差分離系統(tǒng)與圓柱度儀回轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)有機(jī)地整合為一體，利用工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式的單轉(zhuǎn)位小角度誤差分離方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱度儀回轉(zhuǎn)主軸空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差的逐截面分離，即在圓柱測(cè)量高度范圍內(nèi)逐一對(duì)各測(cè)量截面的回轉(zhuǎn)主軸誤差進(jìn)行分離，繼而達(dá)到減小圓柱度儀主軸空間運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離方法，該方法包括以下步驟①選定M個(gè)測(cè)量截面進(jìn)行測(cè)量，對(duì)初始轉(zhuǎn)位位置處于a位置的工件沿軸向(Z向)進(jìn)行測(cè)量，依次得到圓輪廓值的綜合誤差值為{Va0(n)、Va1(n)…Vai(n)…Va(M-1)(n)}；②轉(zhuǎn)動(dòng)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)，帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)過角度α到達(dá)轉(zhuǎn)位位置b，再對(duì)位于起始轉(zhuǎn)位位置b的工件，沿Z向與位置a嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的M個(gè)測(cè)量截面上的圓輪廓值依次進(jìn)行測(cè)量，得到其綜合誤差值依次為{Vb0(n+na)、Vb1(n+na)…Vbi(n+na)…Vb(M-1)(n+na)}；③利用諧波分析法和單轉(zhuǎn)位誤差分離方法對(duì)轉(zhuǎn)位角a、{Va0(n)、Va1(n)…Vai(n)…Va(M-1)(n)}和{Vb0(n+na)、Vb1(n+na)…Vbi(n+na)…Vb(M-1)(n+na)}進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分離后，得到Z向M個(gè)測(cè)量高度位置的剔除了主軸回轉(zhuǎn)誤差的工件圓度誤差{S0(n)、S1(n)…Si(n)…SM-1(n)}和M個(gè)相應(yīng)截面高度間的工件半徑差值{R0(n)、R1(n)…Ri(n)…RM-1(n)}；④將Si(n)和Ri(n)代入圓柱度測(cè)量評(píng)定系統(tǒng)中進(jìn)行圓柱度評(píng)定，得到剔除了圓柱度儀空間回轉(zhuǎn)誤差的工件的圓柱度值。
一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，包括Z導(dǎo)軌系統(tǒng)8和9、圓輪廓測(cè)量傳感器3、工作臺(tái)13、誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14、儀器回轉(zhuǎn)主軸15、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)18、編碼器19、基座10，其特征在于該裝置還包括小角度轉(zhuǎn)位角發(fā)生系統(tǒng)20、導(dǎo)電滑環(huán)17，儀器回轉(zhuǎn)主軸15與軸套16構(gòu)成氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)作為圓柱度儀的回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14作為特殊的軸套與回轉(zhuǎn)主軸15又構(gòu)成了氣浮回轉(zhuǎn)軸系B，氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)和氣浮回轉(zhuǎn)軸系B共用同一個(gè)回轉(zhuǎn)主軸15，氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)帶動(dòng)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14即氣浮回轉(zhuǎn)軸系B、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)13和被測(cè)圓柱工件4一起回轉(zhuǎn)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14又帶動(dòng)工作臺(tái)13和被測(cè)圓柱工件4相對(duì)氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)進(jìn)行回轉(zhuǎn)，Z導(dǎo)軌8帶動(dòng)傳感器3沿Z方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到任選測(cè)量截面i的測(cè)量高度；當(dāng)進(jìn)行誤差分離時(shí)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14供氣并工作，完成誤差分離所需的相對(duì)氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)的自轉(zhuǎn)；當(dāng)無需誤差分離時(shí)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14斷氣，其在重力的作用下與回轉(zhuǎn)軸系15合二為一，等同于無誤差分離系統(tǒng)的圓柱度測(cè)量?jī)x器。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及良好效果本發(fā)明將圓度誤差分離系統(tǒng)和圓柱度儀主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)這兩個(gè)原本相互獨(dú)立的系統(tǒng)有機(jī)地整合為一體，使其功能和結(jié)構(gòu)相融合，依據(jù)該技術(shù)建立起來的超精密圓柱度測(cè)量?jī)x器，無需任何外加裝置，就能對(duì)其空間回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行自行分離，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；誤差分離方法采用基于諧波分析的單轉(zhuǎn)位誤差分離方法，誤差分離時(shí)分離轉(zhuǎn)臺(tái)僅需完成單次特定小角度的轉(zhuǎn)位，即可完成該截面的誤差分離，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二；結(jié)構(gòu)融合后的測(cè)量裝置，需誤差分離時(shí)，分離轉(zhuǎn)臺(tái)工作，可完成誤差分離所需的自轉(zhuǎn)。無需誤差分離時(shí)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)停氣，其在重力的作用下與回轉(zhuǎn)軸系合二為一，等同于無誤差分離系統(tǒng)的圓柱度測(cè)量?jī)x器，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三。
采用上述技術(shù)后，測(cè)量裝置具有如下顯著特點(diǎn)1)可自行分離超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間回轉(zhuǎn)誤差，避免了原有圓柱度測(cè)量?jī)x器分離回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，存在誤差分離系統(tǒng)難以與回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)集成一體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誤差環(huán)節(jié)增多的缺點(diǎn)；2)大幅縮短了圓柱度儀回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差分離系統(tǒng)的軸向尺寸，避免了原有圓柱度測(cè)量?jī)x器分離回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，存在構(gòu)成的系統(tǒng)回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)裝置軸向尺寸增大、測(cè)量鏈長，犧牲了回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)原有精度，角回轉(zhuǎn)誤差成倍增加等致命缺點(diǎn)。
3)基于諧波分析的單轉(zhuǎn)位誤差分離方法的采用，避免現(xiàn)有的誤差分離方法如多步法、反向法等進(jìn)行空間回轉(zhuǎn)誤差分離時(shí)，分離過程復(fù)雜，分離時(shí)間長，引入的各類漂移較大的不足等，同時(shí)大大簡(jiǎn)化了誤差分離裝置和誤差分離過程。


圖1為已有的主軸回轉(zhuǎn)誤差典型運(yùn)動(dòng)形式示意2為已有的空間回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)誤差運(yùn)動(dòng)形式示意3為已有的圓度儀誤差分離系統(tǒng)示意4為已有的圓柱度儀誤差分離系統(tǒng)示意5為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意6為本發(fā)明的單轉(zhuǎn)位空間誤差分離原理7為本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意8分離前被測(cè)工件的數(shù)據(jù)曲線圖9分離前軸的數(shù)據(jù)曲線圖10分離后被測(cè)工件的數(shù)據(jù)曲線圖11分離前、后被測(cè)工件的數(shù)據(jù)曲線比較中，1圓度儀主軸、2傳感器調(diào)整機(jī)構(gòu)、3傳感器、4被測(cè)工件、5誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)、6圓度測(cè)量?jī)x器工作臺(tái)面、7主軸支架、8和9 Z導(dǎo)軌系統(tǒng)、10基座、11誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)控制導(dǎo)線、12圓柱度測(cè)量?jī)x器回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)系統(tǒng)、13工作臺(tái)、14誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)、15儀器回轉(zhuǎn)主軸、16軸套、17導(dǎo)電滑環(huán)、18電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、19編碼器、20轉(zhuǎn)位角(小角度)發(fā)生系統(tǒng)、21被測(cè)工件的初始位置、22儀器測(cè)量起始零位、23閉合力發(fā)生器、24螺紋式PZT、25轉(zhuǎn)位角(小角度)檢測(cè)系統(tǒng)具體實(shí)施方式
本發(fā)明的超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如下本發(fā)明的超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，包括圓輪廓測(cè)量傳感器3、被測(cè)圓柱4、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)13、誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14、誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)的氣浮軸系的B端、轉(zhuǎn)位角(小角度)發(fā)生系統(tǒng)20、儀器回轉(zhuǎn)主軸15、轉(zhuǎn)位角(小角度)檢測(cè)系統(tǒng)25(常用反射式扇形光柵和組合式光電接收器)、導(dǎo)電滑環(huán)17、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)18、測(cè)角編碼器19、基座10、閉合力發(fā)生器23、螺紋式PZT 24等構(gòu)成。被測(cè)工件位于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)13上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)13由誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14支撐，儀器回轉(zhuǎn)主軸15與軸套16構(gòu)成的氣浮回轉(zhuǎn)軸系作為原始回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)A；誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)又是副氣浮軸系B的特殊軸套，它們構(gòu)成了誤差分離系統(tǒng)。將誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)主軸與儀器回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)主軸上端定位軸(B軸)的功能相復(fù)合，由B軸實(shí)現(xiàn)雙重功能，并起到如下幾方面的作用1)將復(fù)雜系統(tǒng)(原誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，尺寸也很大)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)整體部件，使軸向尺寸大為減小，不使儀器回轉(zhuǎn)主軸A的空間角回轉(zhuǎn)誤差增大，測(cè)量鏈大為縮短，誤差環(huán)節(jié)減少，顯著減小了系統(tǒng)機(jī)械漂移；2)由于B軸工藝性好，B軸相對(duì)A軸的同軸度誤差減小，B軸止推面相對(duì)A軸的垂直度也減小，使誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)精度明顯提高，其結(jié)果避免了儀器回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)中心線和誤差分離系統(tǒng)中心線之間的同軸找正；3)當(dāng)進(jìn)行誤差分離時(shí)，氣浮軸系B供氣并工作，當(dāng)誤差分離系統(tǒng)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度時(shí)，可進(jìn)行逐截面空間回轉(zhuǎn)誤差的自行分離等。當(dāng)無需進(jìn)行誤差分離時(shí)，氣浮軸系B停氣，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)在重力的作用下與回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)合二為一，等同于無誤差分離系統(tǒng)的圓柱度測(cè)量?jī)x器。
本發(fā)明中儀器回轉(zhuǎn)主軸與軸套構(gòu)成的回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)除了是氣浮軸系外，還可以是其它形式的軸系，如液壓、密柱等形式。
誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)作為特殊的軸套與回轉(zhuǎn)主軸構(gòu)成的回轉(zhuǎn)軸系B除了是氣浮軸系外，還可以是其它形式的軸系，如液壓、密柱等形式。
為實(shí)現(xiàn)誤差分離所需的小角度高精度轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位角發(fā)生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為正切機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用美國NEWFOCUS公司生產(chǎn)的大范圍、高穩(wěn)定性螺旋式微位移驅(qū)動(dòng)器(Picomotor)，沿誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)的外延伸機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)位移分辨力達(dá)10nm，驅(qū)動(dòng)力達(dá)20N，轉(zhuǎn)位角可通過安裝在外延伸機(jī)構(gòu)對(duì)徑的高精度扇形光柵來精確檢測(cè)。為減小轉(zhuǎn)角回程，在與驅(qū)動(dòng)器相對(duì)的方向安放閉合力發(fā)生器。
分離裝置中，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)既可隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，又可帶動(dòng)工件進(jìn)行自轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)制造時(shí)，使誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)自轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)軸線與圓柱度測(cè)量?jī)x器主軸回轉(zhuǎn)軸線同軸。分離時(shí)，將被測(cè)工件位于工作臺(tái)上，調(diào)整工作臺(tái)使被測(cè)工件回轉(zhuǎn)中心線與圓柱度測(cè)量?jī)x器主軸回轉(zhuǎn)中心線基本同軸。如圖6所示，上下移動(dòng)傳感器，到達(dá)測(cè)量截面0，轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)，傳感器測(cè)得截面0第一測(cè)回的數(shù)據(jù)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)及被測(cè)工件相對(duì)儀器主軸轉(zhuǎn)過特定的角度，傳感器測(cè)得被測(cè)工件單次轉(zhuǎn)位后測(cè)量截面0的另一路測(cè)量數(shù)據(jù)。依據(jù)單轉(zhuǎn)位空間誤差分離法將圓柱度測(cè)量?jī)x器回轉(zhuǎn)主軸的回轉(zhuǎn)誤差從測(cè)量結(jié)果中分離出來，得到被測(cè)工件的圓輪廓測(cè)量誤差。依次類推，圓柱度測(cè)量?jī)x器中利用該誤差分離裝置，可將任意給定截面的儀器空間主軸回轉(zhuǎn)誤差從測(cè)量結(jié)果中分離出去，繼而達(dá)到空間運(yùn)動(dòng)誤差的分離，最終提高儀器的測(cè)量精度。
采用上述發(fā)明，利用原回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)與誤差分離系統(tǒng)內(nèi)部件的冗余功能，將具有相關(guān)功能的部件進(jìn)行精簡(jiǎn)和功能歸類，使大部分主要功能都復(fù)合到主軸等若干核心部件上，從而構(gòu)成了空間回轉(zhuǎn)誤差可自行分離的整體式超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置。該裝置使圓柱度測(cè)量?jī)x器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大幅度簡(jiǎn)化，減少了誤差環(huán)節(jié)，縮短了測(cè)量鏈，為圓柱度測(cè)量?jī)x器回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)的空間運(yùn)動(dòng)誤差的實(shí)時(shí)、高效和準(zhǔn)確的分離奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明方法與裝置不僅用于超精密圓柱度測(cè)量?jī)x器中，同時(shí)還可用于建立高精度的回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)。
如圖6所示，21為被測(cè)工件的初始位置a，3為傳感器，22為儀器測(cè)量起始零位。當(dāng)傳感器3處于如圖5所示的被測(cè)圓柱工件4的第(i+1)個(gè)測(cè)量截面，且被測(cè)圓柱工件4位于如圖6(a)所示的轉(zhuǎn)位位置a時(shí)，設(shè)圓柱工件的誤差為Si(θ)，儀器回轉(zhuǎn)主軸誤差為ei(θ)，傳感器測(cè)得的綜合輪廓信號(hào)為Vai(θ)；當(dāng)圓柱工件4隨誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14相對(duì)于回轉(zhuǎn)主軸15轉(zhuǎn)過α角到達(dá)如圖6(b)所示的位置b時(shí)，其諸次諧波的相位發(fā)生了變化，其值為Si(θ+α)，而氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)誤差成分的相位不變，其值仍為ei(θ)，此轉(zhuǎn)位上傳感器測(cè)得的綜合輪廓信號(hào)為Vbi(0)。
分離的基本原理如下將被測(cè)圓柱工件置于工作臺(tái)的初始位置a處，沿Z向移動(dòng)傳感器3，使之處于工件4的0測(cè)量截面位置，轉(zhuǎn)動(dòng)氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)使圓柱工件4隨工作臺(tái)13和誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)14轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，傳感器4測(cè)得的綜合誤差為Va0(θ)，然后沿立式導(dǎo)軌9的Z向移動(dòng)傳感器3，分別在選定的工件4測(cè)量截面1…i、…M-1進(jìn)行測(cè)量，依次測(cè)得截面0、…i、…M-1的綜合誤差為{Vai(θ)}(i＝0、…k、…M-1)。
設(shè)壓縮傳感器測(cè)頭的方向?yàn)閭鞲衅髡?，則測(cè)量工件形狀和儀器回轉(zhuǎn)主軸形狀向外凸起的方向分別為Si(θ)和ei(θ)的正向，由于工件位于儀器回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，則ei(θ)與Vai(θ)的方向始終同向，則對(duì)任意測(cè)量截面(i+1)，傳感器測(cè)得的綜合輪廓信號(hào)Vai(θ)為Vai(θ)＝Si(θ)+ei(θ)cosθ (1)完成a轉(zhuǎn)位的測(cè)量后，再進(jìn)行b轉(zhuǎn)位的測(cè)量，即轉(zhuǎn)動(dòng)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)使工件轉(zhuǎn)過α角到達(dá)如圖6(b)所示的位置后，測(cè)量截面位置依次選定與a轉(zhuǎn)位測(cè)量截面位置嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的位置，同理，傳感器可依次測(cè)得截面0、1、…i、…M-1的綜合誤差{Vbi(θ)}(i＝0、…k、…M-1)。對(duì)測(cè)量截面(i+1)，傳感器測(cè)得的綜合輪廓信號(hào)Vbi(θ)亦為Vbi(θ)＝Si(θ+α)+ei(θ)cosθ(2)將(1)和(2)中的Si(θ)、ei(θ)和Si(θ+α)在時(shí)域內(nèi)展開為以儀器主軸回轉(zhuǎn)一周為基波的函數(shù)，其傅立葉級(jí)數(shù)展開式為Si(θ)=Si0+Σk=1x(aikcoskθ+biksinkθ)---------(3)]]>ei(θ)=ei0+Σk=1∞(cikcoskθ+diksinkθ)-------(4)]]>S(θ+α)=Si0+Σk=1∞(aikcosk(θ+α)+biksink(θ+α))------(5)]]>=Si0′+Σk=1∞((aikcoskα+biksinkα)coskθ+(bikcoskα-aiksinkα)sinkθ)]]>式中Si0、S′i0、ei0、aik、bik、cik和dik為傅立葉級(jí)數(shù)展開系數(shù)。
將式(1)和式(2)相減得ri(θ)=Vai(θ)-Vbi=Si(θ)-Si(θ+α)]]>=Si0′′+Σk=1N-1((aik(1-coskα)-biksinkα)coskθ+(aiksinkα+bik(1-coskα))sinkθ)-------(6)]]>式中S″0、ak和bk為傅立葉級(jí)數(shù)展開系數(shù)。
將上式經(jīng)過N點(diǎn)采樣離散化處理，且只取0到N-1次諧波，第n次采樣點(diǎn)的角度為2nπ/N，則其離散化公式為r1(n)=S0′′+Σk=1N-1((aik(1-coskα)-biksinkα)cos(2nπk/N)--------(7)]]>+(aiksinkα+bik(1-coskα))sin(2nπk/N))]]>上式ri(n)也可展開為傅立葉級(jí)數(shù)形式ri(n)=ri0+Σk=1N-1(eikcos(2nπk/N)+fiksin(2nπk/N))-------(8)]]>式中ri0=1NΣn=0N-1r1(n)-----(9)]]>eik=2NΣn=0N-1ri(n)cos(2nπk/N)-----(10)]]>fik=2NΣn=0N-1r1(n)sin(2nπk/N)-------(11)]]>比較式(7)和(8)中k≥2的諧波成分，可得 求解上式，得
求出任意k次諧波的諧波系數(shù)ak、bk后，再依據(jù)式(3)并進(jìn)行離散化處理即可求出圓柱體工件在(i+1)截面的圓度誤差的時(shí)域離散值Si(n)Si(n)=Si0+Σk=1∞((12eik+sinkα2(1-coskα)fik)cos(2nπk/N)+(sinkα2(1-coskα)eik+12fik)sin(2nπk/N))----(14)]]>測(cè)量圓度時(shí)，諧波分量中的基波分量和一次諧波分量(k＝0，1)均不屬圓度的范疇。因此，Si(n)可修正如下Si′′(n)=Σk=2N-1((aikcos(2nπk/N)+biksin(2nπk/N))-----(15)]]>S″i(n)即為剔除了(i+1)截面高度處圓柱度儀主軸回轉(zhuǎn)誤差的工件的圓度誤差。
將Vai(θ)和Vbi(θ)經(jīng)過離散化處理，即可得相應(yīng)截面高度的相對(duì)半徑差值Ri(n)Ri(n)=12[1NΣn=0N-1Vai(n)+1NΣn=0N-1Vbi(n)]------(16)]]>這樣，利用諧波分析法和單轉(zhuǎn)位誤差分離方法對(duì)轉(zhuǎn)位角a、M個(gè)測(cè)量截面上測(cè)得的兩例綜合數(shù)據(jù){Va0(θ)、Va1(θ)…Vai(θ)…Va(M-1)(θ)}和{Vb0(θ)、Vbl(θ)…Vbi(θ)…Vb(M-1)(θ)}進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分離后，得到Z向M個(gè)測(cè)量高度位置的剔除了主軸回轉(zhuǎn)誤差的工件圓度誤差{S″i(n)}(i＝0，1，…i…M-1；n＝0，1，…k…N-1)和M個(gè)相應(yīng)截面高度間的工件半徑差值{Ri(n)}(i＝0，1，…i…M-1；n＝0，1，…k…N-1)。
將{S″i(n)}和{S″i(n)}代入圓柱度測(cè)量評(píng)定系統(tǒng)中進(jìn)行圓柱度評(píng)定，即可得到剔除了圓柱度儀空間回轉(zhuǎn)誤差的工件的圓柱度值。
本發(fā)明單轉(zhuǎn)位空間誤差分離方法分離效果驗(yàn)證為驗(yàn)證單轉(zhuǎn)位空間誤差分離方法的有效性和正確性，采取如下的驗(yàn)證方法選兩組實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，一組作為主軸數(shù)據(jù){Zi(n)}(i＝0，1，…i…M-1；n＝0，1，…k…N-1)，另一組作為工件數(shù)據(jù){Gi(n)}(i＝0，1，…i…M-1；n＝0，1，…k…N-1)，首先將上述兩組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相加，得到第一測(cè)回的綜合數(shù)據(jù){Vai(n)}(i＝0，1，…i…M-1；n＝0，1，…k…N-1)為 然后，將工件數(shù)據(jù){Gi(n)}均平移n1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，再與工件數(shù)據(jù){Gi(n)}相加，得到第二測(cè)回的綜合數(shù)據(jù){Vbi(n)}(i＝0，1，…i…M-1；n＝0，1，…k…N-1)為 將{Vai(n)}、{Vbi(n)}及n1代入單轉(zhuǎn)位空間回轉(zhuǎn)誤差分離方法中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到分離后的工件數(shù)據(jù){Si(n)}和主軸數(shù)據(jù){ei(n)}。比較圓柱工件組合前數(shù)據(jù){Gi(n)}和組合后并進(jìn)行分離得到的數(shù)據(jù){Si(n)}的差異來驗(yàn)證單轉(zhuǎn)位空間回轉(zhuǎn)誤差分離方法的分離效果。將兩圓柱工件分別置于圓柱度測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行測(cè)量，每周選取采樣點(diǎn)N＝512，在(i+1)截面高度處的單一截面，兩工件的圓輪廓數(shù)據(jù)展開曲線分別如圖8和圖9所示。將圖8的數(shù)據(jù)作為被測(cè)圓柱工件的數(shù)據(jù){Gi(n)}(n＝0，1，…k…511)，圖9的數(shù)據(jù)作為儀器軸系的數(shù)據(jù){Zi(n)}(n＝0，1，…k…511)。
首先將數(shù)據(jù){Gi(n)}與{Zi(n)}對(duì)應(yīng)相加，構(gòu)成綜合數(shù)據(jù){Vai(n)}；再將數(shù)據(jù){Gi(n)}平移5個(gè)采樣點(diǎn)，得平移后數(shù)據(jù){Gi(n+5)}，將{Gi(n+5)}與數(shù)據(jù){Zi(n)}相加，構(gòu)成綜合數(shù)據(jù){Vbi(n)}。
依據(jù)綜合數(shù)據(jù){Vai(n)}、{Vbi(n)}及轉(zhuǎn)位角α(α＝360×5/512＝3.516°)，采用單轉(zhuǎn)位誤差分離法對(duì)其進(jìn)行分離，得到數(shù)據(jù){Si(n)}，其數(shù)據(jù)曲線如圖10所示。圖11給出了工件數(shù)據(jù){Gi(n)}曲線和數(shù)據(jù){Si(n)}曲線的對(duì)比圖，為便于比較，圖11中將數(shù)據(jù){Gi(n)}的曲線向上平移0.2μm，從中可以看出{Gi(n)}曲線和{Si(n)}曲線僅存在微小的差異，但圓度評(píng)定值卻均為1.729μm，這主要是由于數(shù)據(jù)差異小對(duì)整體圓度評(píng)定影響小。由此可見，只要轉(zhuǎn)位角誤差很小，即使實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)諧波非常豐富，亦可對(duì)其完全分離。
以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離方法，其特征在于該方法包括以下步驟①選定M個(gè)測(cè)量截面進(jìn)行測(cè)量，對(duì)初始轉(zhuǎn)位位置處于a位置的工件沿軸向(Z向)進(jìn)行測(cè)量，依次得到圓輪廓值的綜合誤差值為{Va0(n)、Va1(n)…Vai(n)…Va(M-1)(n))}；②轉(zhuǎn)動(dòng)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)，帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)過角度a到達(dá)轉(zhuǎn)位位置b，再對(duì)位于起始轉(zhuǎn)位位置b的工件，沿Z向與位置a嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的M個(gè)測(cè)量截面上的圓輪廓值依次進(jìn)行測(cè)量，得到其綜合誤差值依次為{Vb0(n+na)、Vb1(n+na)…Vbi(n+na)…Vb(M-1)(n+na}；③利用諧波分析法和單轉(zhuǎn)位誤差分離方法對(duì)轉(zhuǎn)位角a、{Va0(n)、Va1(n)…Vai(n)…Va(M-1)(n))}和{Vb0(n+na)、Vb1(n+na)…Vbi(n+na)…Vb(M-1)(n+na)}進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分離后，得到Z向M個(gè)測(cè)量高度位置的剔除了主軸回轉(zhuǎn)誤差的工件圓度誤差{S0(n)、S1(n)…Si(n)…SM-1(n)}和M個(gè)相應(yīng)截面高度間的工件半徑差值{R0(n)、R1(n)…Ri(n)…RM-1(n)}；④將Si((n)和Ri(n)代入圓柱度測(cè)量評(píng)定系統(tǒng)中進(jìn)行圓柱度評(píng)定，得到剔除了圓柱度儀空間回轉(zhuǎn)誤差的工件的圓柱度值。
2.一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，包括Z導(dǎo)軌系統(tǒng)(8)和(9)、圓輪廓測(cè)量傳感器(3)、工作臺(tái)(13)、誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)(14)、儀器回轉(zhuǎn)主軸(15)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(18)、編碼器(19)、基座(10)，其特征在于該裝置還包括小角度轉(zhuǎn)位角發(fā)生系統(tǒng)(20)、導(dǎo)電滑環(huán)(17)，儀器回轉(zhuǎn)主軸(15)與軸套(16)構(gòu)成氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)作為圓柱度儀的回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)(14)作為特殊的軸套與回轉(zhuǎn)主軸(15)又構(gòu)成了氣浮回轉(zhuǎn)軸系B，氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)和氣浮回轉(zhuǎn)軸系B共用同一個(gè)回轉(zhuǎn)主軸(15)，氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)帶動(dòng)誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)(14)即氣浮回轉(zhuǎn)軸系B、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(13)和被測(cè)圓柱工件(4)一起回轉(zhuǎn)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)(14)又帶動(dòng)工作臺(tái)(13)和被測(cè)圓柱工件(4)相對(duì)氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)進(jìn)行回轉(zhuǎn)，Z導(dǎo)軌(8)帶動(dòng)傳感器(3)沿Z方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到任選測(cè)量截面i的測(cè)量高度；當(dāng)進(jìn)行誤差分離時(shí)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)(14)供氣并工作，完成誤差分離所需的相對(duì)氣浮回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)的自轉(zhuǎn)；當(dāng)無需誤差分離時(shí)，誤差分離轉(zhuǎn)臺(tái)(14)斷氣，其在重力的作用下與回轉(zhuǎn)軸系(15)合二為一，等同于無誤差分離系統(tǒng)的圓柱度測(cè)量?jī)x器。
3.根據(jù)權(quán)力要求2所述的超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，其特征在于還包括小角度轉(zhuǎn)位角檢測(cè)系統(tǒng)(8)。
4.根據(jù)權(quán)力要求2所述的超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，其特征在于轉(zhuǎn)位角發(fā)生系統(tǒng)(20)為正切機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)力要求2所述的超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，其特征在于還包括閉合力發(fā)生器(23)。
6.根據(jù)權(quán)力要求2所述的超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，其特征在于回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)為液壓或密柱形式。
7.根據(jù)權(quán)力要求2所述的超精密圓柱度儀空間回轉(zhuǎn)誤差分離裝置，其特征在于回轉(zhuǎn)軸系B為液壓或密柱形式。
全文摘要
本發(fā)明屬于精密儀器制造及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離方法與裝置。本發(fā)明的方法通過對(duì)超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行Z向逐截面分離的方法，滿足高精度圓柱度儀回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)(主軸)空間運(yùn)動(dòng)誤差分離的需求，使其達(dá)到減小空間回轉(zhuǎn)誤差的目的。本發(fā)明還提供一種超精密回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)空間誤差自分離裝置，它將圓度誤差分離系統(tǒng)與圓柱度儀回轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)有機(jī)地整合為一體，利用工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式的單轉(zhuǎn)位小角度誤差分離方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱度儀回轉(zhuǎn)主軸空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差的逐截面分離，即在圓柱測(cè)量高度范圍內(nèi)逐一對(duì)各測(cè)量截面的回轉(zhuǎn)主軸誤差進(jìn)行分離，繼而達(dá)到減小圓柱度儀主軸空間運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
文檔編號(hào)G01B5/20GK1527022SQ20041000119
公開日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2004年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月4日
發(fā)明者譚久彬, 趙維謙, 楊文國, 金國良 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)