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1、(10)申请公布号 CN 101975564 A(43)申请公布日 2011.02.16CN101975564A*CN101975564A*(21)申请号 201010292141.7(22)申请日 2010.09.26G01B 21/10(2006.01)G01B 21/00(2006.01)(71)申请人天津大学地址 300072 天津市南开区卫津路92号(72)发明人张国雄 李杏华 刘书桂 裘祖荣郭敬滨(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201代理人刘国威(54) 发明名称基于三截面测量的温度误差补偿方法(57) 摘要本发明涉及测试技术及仪器。提供一种基于三截面测量。
2、的温度误差补偿技术，提高圆柱坐标测量机测量稳定性，本发明采取的技术方案是，基于三截面测量的温度误差补偿方法，包括下列步骤：1.利用一个直径都经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线方向进行标定；2.建立温度误差补偿的数学模型；3.在建立的温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工件测量结果的数据处理程序中；4.将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程中加测用于误差补偿所需要测量的截面；5.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。本发明主要应用于回转件的加工测量。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利。
3、申请权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页CN 101975569 A 1/1页21.一种基于三截面测量的温度误差补偿方法，其特征是，包括下列步骤：1).利用一个直径都经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线方向进行标定；2).建立温度误差补偿的数学模型；3).在建立的温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工件测量结果的数据处理程序中；4).将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程中加测用于误差补偿所需要测量的截面；5).进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。2.根据权利要求1所述的一种基于三截面测量的温度误差补偿方法，。
4、其特征是，所述建立温度误差补偿的数学模型是，热变形使右测量架相对于回转工作台右移1，右测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的顺时针偏转1，在高度z1处进行测量，使测量得到的外径值减小2(1+z11)；而在从左侧测量工件外径时，如果由于热变形使左测量架相对于回转工作台右移2，测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的偏转角为2，测量高度也是z1，就会使测量得到的外径值增大2(2+z12)；为了实现误差补偿，需要利用左右两个测量架再测量两个截面，测量可以与测量回转工作台直径同时或紧接着进行，两个测量架的平移和偏转与前相同，是在高度z2处进行测量，两个测量架偏转对直径测量的影响分别变为-2z21和2z22，。
5、工件的直径D2是未知的，如果工件直径有偏差D2，所以从右边与左边测量得到的直径值偏差分别为D2-2(1+z21)与D2+2(2+z22)；在高度z3处进行测量，两个测量架偏转对内测主轴表面位置测量的影响分别变为-z31和-z32，这里还要考虑在热变形影响下内测量架主轴的位置也会有偏移，设为3，这样从右边与左边测量得到的内测主轴表面位置变化分别为3-1-z31和3-2-z32；从进行的测量中可以得到6个偏差值：-2(1+z11)、2(2+z12)、D2-2(1+z21)、D2+2(2+z22)、3-1-z31和3-2-z32，从这6组测量结果中可以求得6个未知量：1、2、3、1、2、D2，从而各。
6、个截面的外径进行温度误差补偿。 权 利 要 求 书CN 101975564 ACN 101975569 A 1/4页3基于三截面测量的温度误差补偿方法技术领域0001 本发明涉及测试技术及仪器，具体讲涉及基于三截面测量的温度误差补偿方法。背景技术0002 回转体零件在工业生产的各种零件中，特别在军工生产中占有很大比重。它们作为机器的关键零件被广泛应用于工业、航空、航天、国防等领域中。回转体类工件的母线可以为直线段或圆弧段，表面的形状可以是圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、平面等。尽管回转体类零件的结构与尺寸随其用途不同而异，但其结构一股都具有以下特点：对各个截面的圆度有较高要求，有多个内、外圆回转。
7、面需要检测，并对它们的同轴度要求较高。这些零件往往是机器、装备的关键件，批量大，需要100检测。回转体零件的高精度、高效率已经成为国民经济和国防中许多部门的迫切需求。0003 圆柱坐标系三坐标测量机特别适合于回转体零件的检测。圆柱坐标系三坐标测量机的总体构成和工作原理如图1所示。测量机由回转工作台和若干个测量架组成。工件安装在回转工作台上由夹具夹紧定心，并由回转工作台带动连续转动。测量架上分别装有各种测头，以测量工件的内、外表面的轴向与径向尺寸、形状与位置误差。0004 圆柱坐标系三坐标测量机有以下优点。0005 测量效率高测量时工件连续旋转、测头固定不动，工件转动1圈，就完成对一个截面的测量。
8、。而在传统正交式三坐标测量机中，需要逐点进行测量，十分费时。0006 形位测量精度高采用在回转过程中测量，只有回转工作台的运动误差和测头的测量不确定度影响测量圆度、圆跳动、同轴度等形位误差的精度，而各个测量架上的各个部件的运动误差对于这些形位测量精度基本没有影响，因为在测量一个截面时它们不动。0007 测头运动简单、防碰撞问题比较容易解决。0008 但是圆柱坐标测量机也有它自己的问题。这主要是被测工件的尺寸不能直接从各个测量架的标尺中读出。从标尺中读出的只是各个移动架的相对位移，为了确定被测工件的绝对尺寸，需要知道各个测量架的坐标原点相对于回转工作台坐标系原点的位置，以及坐标轴之间的方向关系，。
9、即实现各个测量架与回转工作台坐标系的统一。通常通过对基准件的标定来实现这一坐标系的统一。0009 然而，如图1所示，由于温度变化会使各个测量架相对于回转工作台的位置和坐标轴的方向发生变化，引起测量误差。特别对于在车间使用的圆柱坐标测量机温度变化引起的测量误差会很大，常达几十至数百微米。温度误差补偿最常用的方法是建立温度场与热变形模型。这种方法不仅复杂，而且难以获得好的效果。特别是在车间条件下，温度变化复杂，采用建立温度场模型与热变形模型的方法难以获得好的效果。0010 在实践中发现有一部分回转体零件需要通过螺纹与相关件连接，并保证相连接的相关件具有准确的位置与方向，为此需要通过一些套筒，作为模。
10、拟的相关件，测量其在离开零件一定位置处的延伸部位的跳动量。在这种情况下可以将套筒作为基准件，利用它实现温度误差补偿。但是在更多的情况下工件没有螺纹连接，或者没有延伸部位的跳动量需要说 明 书CN 101975564 ACN 101975569 A 2/4页4测量。这时为了温度误差补偿，引入专用的套筒就不方便。0011 对于内径的测量可以采用双向测量的方法，即采用一种能够进行双向测量的测头，先后对工件孔的左壁和右壁进行探测。由于热变形引起的测量机内测轴相对于回转工作台轴线的偏移，对于左测与右测的影响是相反的，所以通过左测与右测取平均值就可以消除热变形的影响。通过求取左测与右测结果的差值，就可以获。
11、得由热变形产生的内测主轴偏移。0012 但是对于外径测量，双向测量的方法不适用，因为图1中测量外径的测头9不能转到回转工作台左边去测量。同时利用左右两个外测量架3与7测量工件的外径也不能消除测量机热变形的影响，因为左右两个外测量架3与7的变形量是不一样的。发明内容0013 为克服现有技术的不足，提供一种基于三截面测量的温度误差补偿技术，提高圆柱坐标测量机测量稳定性，本发明采取的技术方案是，基于三截面测量的温度误差补偿方法，包括下列步骤：0014 1.利用一个直径都经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线方向进行标定；0015 2.建立温度误差补偿的数学模型；0016 3.在建立的。
12、温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工件测量结果的数据处理程序中；0017 4.将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程中加测用于误差补偿所需要测量的截面；0018 5.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。0019 所述建立温度误差补偿的数学模型是，热变形使右测量架相对于回转工作台右移1，右测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的顺时针偏转1，在高度z1处进行测量，使测量得到的外径值减小2(1+z11)；而在从左侧测量工件外径时，如果由于热变形使左测量架相对于回转工作台右移2，测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的偏转角为2，测量高度也是z1，就。
13、会使测量得到的外径值增大2(2+z12)；0020 为了实现误差补偿，需要利用左右两个测量架再测量两个截面，测量可以与测量回转工作台直径同时或紧接着进行，两个测量架的平移和偏转与前相同，是在高度z2处进行测量，两个测量架偏转对直径测量的影响分别变为-2z21和2z22，工件的直径D2是未知的，如果工件直径有偏差D2，所以从右边与左边测量得到的直径值偏差分别为D2-2(1+z21)与D2+2(2+z22).0021 在高度z3处进行测量，两个测量架偏转对内测主轴表面位置测量的影响分别变为-z31和-z32，这里还要考虑在热变形影响下内测量架主轴的位置也会有偏移，设为3，这样从右边与左边测量得到的。
14、内测主轴表面位置变化分别为3-1-z31和3-2-z32；0022 从进行的测量中可以得到6个偏差值：-2(1+z11)、2(2+z12)、D2-2(1+z21)、D2+2(2+z22)、3-1-z31和3-2-z32，从这6组测量结果中可以求得6个未知量：1、2、3、1、2、D2，从而各个截面的外径进行温度误差补偿。说 明 书CN 101975564 ACN 101975569 A 3/4页50023 本发明具备如下技术效果：0024 1、本发明提出了一种通过三截面测量实现温度误差补偿的技术，使测量机的测量结果几乎不受环境温度的影响，大幅度地提高了测量机测量结果的长期稳定性。已在实践中取得良。
15、好效果。0025 2、适用性强，适宜推广应用。附图说明0026 图1为圆柱坐标测量机工作原理图。图中，1-回转工作台，2-夹具，3-外测架1，4-外测头1，5-工件，6-内测主轴，7-外测架2，8-内测头，9-外测头2。0027 图2为外径测量误差补偿测量位置示意图。图中，a)部分是测量回转工作台直径，b)部分是测量工件直径，c)部分是测量内测主轴宽度。具体实施方式0028 本发明的目的在于提供一种基于三截面测量的温度误差补偿技术，提高圆柱坐标测量机外径测量稳定性。0029 在圆柱坐标测量机上测量工件尺寸的温度误差主要由以下三方面的因素引起。0030 测量架相对于回转工作台产生平移。0031 。
16、测量架的运动轴线方向相对于回转轴线发生偏转。0032 工件本身的热膨胀。0033 本发明提出了一种通过三截面测量的方法实现温度误差补偿的技术。其工作原理如图2所示。0034 在圆柱坐标测量机上测量工件直径时，从标尺中读出的只是各个移动架的相对位移，为了确定被测工件的绝对尺寸，需要知道各个测量架的坐标原点相对于回转工作台坐标系原点的相对位置，由于热变形等原因使测量架的坐标原点相对于回转工作台坐标系原点的位置发生变化，就会带来测量误差。在图2a所示从右侧测量工件外径情况下，如果由于热变形使右测量架相对于回转工作台右移1，右测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的顺时针偏转1，由于是在高度z1处进行测量。
17、，就会使测量得到的外径值减小2(1+z11)。而在从左侧测量工件外径时，如果由于热变形使左测量架相对于回转工作台右移2，测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的偏转角为2，测量高度也是z1，就会使测量得到的外径值增大2(2+z12)。由于左右两个测量架是互相独立的，一股不会有12或1-2，12或1-2，难以仅仅根据这两个测头测量回转工作台的直径结果，求得热变形引起的测量架平移与偏转，进行误差补偿。0035 为了实现误差补偿，需要利用左右两个测量架再测量两个截面。图2b是测量工件某一截面直径的情形。由于测量可以与测量回转工作台直径同时或紧接着进行，可以认为在图2b的测量中，两个测量架的平移和偏转与图。
18、2a相同，只是它们是在高度z2处进行测量，两个测量架偏转对直径测量的影响分别变为-2z21和2z22。但是工件的直径D2是未知的，如果工件直径有偏差D2，所以从右边与左边测量得到的直径值偏差分别为D2-2(1+z21)与D2+2(2+z22)。0036 图2c是用两个测量架测量内测主轴位置的情况。由于测量可以与测量回转工作说 明 书CN 101975564 ACN 101975569 A 4/4页6台直径同时或紧接着进行，可以认为在图2c的测量中，两个测量架的平移和偏转与图2a相同，只是它们是在高度z3处进行测量，两个测量架偏转对内测主轴表面位置测量的影响分别变为-z31和-z32。这里还要考。
19、虑在热变形影响下内测量架主轴的位置也会有偏移，设为3。这样从右边与左边测量得到的内测主轴表面位置变化分别为3-1-z31和3-2-z32。0037 从图2a、2b、2c进行的测量中可以得到6个偏差值：-2(1+z11)、2(2+z12)、D2-2(1+z21)、D2+2(2+z22)、3-1-z31和3-2-z32。从这6组测量结果中可以求得6个未知量：1、2、3、1、2、D2，从而各个截面的外径进行温度误差补偿。0038 在上面的讨论中没有考虑工件与回转工作台本身的热膨胀。一股说，测量架标尺的零位与回转工作台轴线间的距离比工件的直径大许多，可以认为温度误差主要由两个测量架相对于回转工作台轴线。
20、产生平移与轴线方向偏转引起。在需要考虑工件与回转工作台本身的热膨胀的情况下，只要知道它们的线膨胀系数，并在它们上安装一定的测温元件，就可以根据测量得到的温度，计算出它们的热变形。工件与回转工作台本身的热变形模型比测量机的温度模型简单得多，因为测量机由大量构件组成，它们不仅温度、线膨胀系数都可能不同，而且影响测量端位移的方式也不同，温度与热变形模型十分复杂。0039 由上例概括为：0040 1.利用一个直径经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线方向进行标定。0041 2.建立温度误差补偿的数学模型。0042 3.在建立的温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工。
21、件测量结果的数据处理程序中。0043 4.将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程中加测图2所示用于误差补偿所需要测量的截面。图2b所示截面可以是工件需要测量的一个截面。0044 5.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。0045 回转体零件在工业生产的各种零件中，特别在军工生产中占有很大比重。它们作为机器的关键零件被广泛应用于工业、航空、航天、国防等领域中。这些零件往往是机器、装备的关键件，批量大，需要100检测。回转体零件的高精度、高效率测量已经成为国民经济和国防中许多部门的迫切需求。0046 温度变化会使各个测量架的位置和坐标轴方向相对于回转工作台的发生变化。
22、，引起测量误差，成为影响测量结果稳定性与精度的主要因素。特别对于在车间使用的圆柱坐标测量机，温度变化引起的测量误差会很大，常达几十至数百微米。加之车间温度条件变化复杂，采用建立温度场模型的方法进行温度误差补偿难以获得好的效果。本发明提出了一种通过三截面测量实现温度误差补偿的技术，使测量机的测量结果几乎不受环境温度的影响，大幅度地提高了测量机测量结果的长期稳定性。已在实践中取得良好效果。它适用性强，兵工集团公司准备大面积推广。本发明也有望用于回转体加工机床中。说 明 书CN 101975564 ACN 101975569 A 1/3页7图1说 明 书 附 图CN 101975564 ACN 101975569 A 2/3页8说 明 书 附 图CN 101975564 ACN 101975569 A 3/3页9图2说 明 书 附 图CN 101975564 A。