一种可分离圆柱度仪基准误差的圆柱度测量方法及装置 【技术领域】
本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，特别是一种可实时分离主轴空间回转误差、导轨直行运动误差、导轨与回转轴线间平行度误差的圆柱度测量方法及装置。
背景技术
如图1所示，圆柱度测量仪器主轴空间回转误差、立式导轨直行误差B、导轨轴线A与回转轴线C之间的平行度误差是圆柱度测量仪器误差的三大误差源。由于受工艺水平的限制，目前仪器主轴的回转精度仅能达到(0.015+0.0003H)μm(其中H为截面高度，单位为mm)的制造精度，立式导轨直线度仅能达到0.06μm/100mm的制造精度，导轨轴线A与回转轴线C之间的平行度误差也仅能达0.15μm/100mm的装配精度。因此，若要进一步改善圆柱度测量仪的测量精度，仅靠提高基准系统的制造精度是远远不够的，除了采用硬技术进一步改善基准系统的制造精度外，还应采用误差分离技术消除或抑制它。
为了消除或减小圆柱度测量仪的基准误差，英国Taylor Hobson公司提出了一种双传感器法用于消除超精密圆柱度测量仪的立式导轨直行误差和导轨与回转轴线之间的平行度误差，其结构如图2所示，被测件3(标准圆柱)放在回转工作台4上，回转工作台4安装在仪器基座5上，径向对称分布的传感器1和传感器2被固定在立式导轨套6上，传感器1和传感器2位于立式导轨7的同一高度上且可沿导轨7上下移动；将被测件3调心、调倾后，传感器1和传感器2与被测件3的第1个截面圆轮廓上对径两点相接触，当回转工作台带动被测件整周旋转时，传感器1和传感器2测量第1个截面圆轮廓并输出两组第1个截面圆轮廓的综合误差数列；第1个截面测量完毕后，双传感器沿导轨上移到被测件不同高度的截面圆轮廓处(i＝2，3，...，N)并测量，共测得N个截面圆轮廓的2N组综合误差数列；将传感器2输出地N组数列移相180°后和传感器1输出的N组数列做和差处理，这样就可从测量结果中分离出立式导轨直行误差和导轨与回转轴线之间的平行度误差。该误差分离方法可以很好地消除圆柱度仪的立式导轨直行误差和导轨与回转轴线之间的平行度误差对圆柱形状测量的影响，但是它不能消除圆柱度仪的主轴空间回转误差对测量的影响。
圆柱度仪主轴的空间回转误差通常由图3所示的(a)径向回转误差运动、(b)角回转误差运动、(c)轴向误差运动、(d)扭动回转误差运动四种形式迭加而成，因此空间各轮廓截面间的误差运动形式已无线性相似性，如图4所示，很难通过线性关系，由两个已知截面的轨迹轮廓求得第三个截面的轨迹轮廓。针对这一问题，中国专利圆柱度仪空间回转误差分离方法与装置(专利申请公开号：CN1527022，谭久彬、赵维谦等)提出单转位逐截面分离圆柱度仪主轴空间回转误差，其结构如图5所示，其主要特点是被测件3和回转工作台4安装在误差分离转台8上，利用误差分离转台8进行单次特定小角度α的转位，单传感器1沿导轨7移动并逐截面测量被测件3的截面圆轮廓，然后利用谐波分析的方法逐截面处理传感器1输出的测量数列，来实现主轴回转误差和被测件回转误差的逐截面分离。但该分离方法仅用于分离圆柱度仪主轴的空间回转误差，而不能分离圆柱度仪的立式导轨直行误差和导轨与回转轴线之间的平行度误差。
【发明内容】
为了克服上述已有误差分离方法与技术存在局限的不足，本发明提出一种可完全消除圆柱度仪基准误差的误差分离方法及装置，将直行误差反向分离技术和回转误差逐截面反向分离技术有机地融合，用于同时分离导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及主轴空间回转误差。
本发明的技术解决方案是：一种可分离圆柱度仪基准误差的圆柱度测量方法，包括以下步骤：
①选定被测件N个测量截面，N为自然数，沿Z向进行逐截面整周测量，在初始位置(a)，传感器1依次测量得到N个测量截面的圆轮廓综合误差值{Va1(θ)、Va2(θ)…Vai(θ)…VaN(θ)}，传感器2同时也依次测得与N个测量截面的圆轮廓对应的综合误差值{V’a1(θ)、V’a2(θ)…V’ai(θ)…V’aN(θ)}；
②使被测件相对回转主轴旋转180°到达位置(b)，重复(a)位置的测量，传感器1和传感器2在(b)位置测量工件的N个截面轮廓和(a)位置的截面圆轮廓高度应严格对应，传感器1依次得到圆轮廓的综合误差值为{Vb1(θ)、Vb2(θ)…Vbi(θ)…VbN(θ)}，传感器2依次得到圆轮廓的综合误差值为{V’b1(θ)、V’b2(θ)…V’bi(θ)…V’bN(θ)}；
③利用和差法对{Va1(θ)、Va2(θ)…Vai(θ)…VaN(θ)}、{V’a1(θ)、V’a2(θ)…V’ai(θ)…V’aN(θ)}、{Vb1(θ)、Vb2(θ)…Vbi(θ)…VbN(θ)}和{V’b1(θ)、V’b2(θ)…V’bi(θ)…V’bN(θ)}进行数据处理，得到Z向N个测量高度位置上剔除了立式导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及回转主轴空间误差的被测件截面圆轮廓信号{W1(θ)、W2(θ)…Wi(θ)…WN(θ)}：
Wi(θ)=Vai(θ)+Vai′(θ+π)+Vbi′(θ)+Vbi(θ+π)4]]>
④将Wi(θ)代入圆柱度测量评定系统中进行圆柱度评定，就得到剔除了立式导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及回转主轴空间误差的被测件的圆柱度值。
本发明还提供了一种可分离圆柱度仪基准误差的圆柱度测量装置，包括传感器1和和传感器2、回转工作台4、基座5、导轨气浮套6和立式导轨7组成的立式导轨系统，误差分离转台8，误差分离转台8置于回转工作台4上，被测件3置于误差分离转台8上，其可分别随回转工作台4和误差分离转台8回转，传感器1和传感器2随导轨气浮套6沿立式导轨7上下运动，且传感器1和传感器2在被测件3的两侧径向对称分布。
本发明具有以下特点及良好效果：
可同时分离圆柱度仪立式导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及主轴空间回转误差，解决了已有误差分离技术不能同时分离直行误差、平行度误差和主轴空间回转误差的不足，这是区别现有技术的创新点之一；
将立式导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及主轴空间回转误差的分离装置融合在同一个分离装置中，一次装调两次转位逐截面测量，便可以将直行误差、平行度误差和主轴空间回转误差从圆柱度测量结果中分离出去，测量操作简便，易于自动执行，这是区别现有技术的创新点之二；
本发明在分离过程中，工件相对工作台仅需一次180°转位，经过简单的和差法数据处理后，便可将三项圆柱度基准误差从测量结果中剔出，因此可完全去除上述三项误差对圆柱形状测量的影响，满足提高超精密圆柱度测量仪测量精度的需要，而且测量步骤简单，易于程序化自动执行，数据处理简捷易用。
【附图说明】
图1圆柱度测量仪三大误差分析示意图
图2为现有的双传感器结构示意图
图3为现有的主轴回转误差典型运动形式示意图
图4为现有的空间回转基准运动误差运动形式示意图
图5为现有的空间回转误差分离系统示意图
图6为本发明装置双传感器纵向布置的结构示意图
图7为本发明装置双传感器横向布置的结构示意图
图8为本发明的直行误差、平行度误差分离原理图
图9为(a)位置测量示意图
图10为(b)位置测量示意图
图11为本发明装置的一个实施例的结构示意图
图12为分离前、后被测圆柱的形状图
图中：1传感器、2传感器、3被测件、4回转工作台、5基座、6导轨气浮套、7立式导轨、8误差分离转台、9仪器主轴、10轴套、11导电滑环、12电机驱动系统、13编码器、14导轨直行误差与导轨和回转轴线平行度误差、15仪器主轴空间回转误差、16被测圆柱实际形状、17分离前传感器1测量得到的圆柱形状、18分离前传感器2测量得到的圆柱形状、19分离后的圆柱形状、20仪器测量起始零位、21工件起始零位。
【具体实施方式】
将这种可完全分离圆柱度仪基准误差的圆柱形状测量方法与装置结合实施例及附图详细说明如下：
参见图6、图7，被测件3安装在误差分离转台8上，误差分离转台8放置在回转工作台4上，设计时，误差分离转台8既可随回转工作台4转动，又可带动被测件3进行自转；回转工作台4安装在仪器基座5上且和仪器主轴9相连接，仪器主轴9与轴套10构成了气浮回转轴系，设计制造时要保证回转工作台4与仪器主轴9同轴；传感器1和传感器2安装在导轨气浮(滑)套6和立式导轨7构成的立式导轨系统的同一高度上，且传感器1和传感器2在被测件3的两侧径向对称分布，可以纵向对称设置，也可以横向对称设置，传感器1和传感器2可依被测件3的直径在Y向做调整；测量前，先对被测件3和误差分离转台8调心、调平行，使它们的回转轴线和回转工作台4的回转轴线同轴。在本实施例中被测件3为标准圆柱。
当传感器1和传感器2处于图8所示的被测件3的第i个测量截面时，设圆柱在第i截面的形状误差为Wi(θ)，仪器主轴在第i截面的回转误差为ei(θ)，导轨在第i高度的直行误差为G(i)，导轨和回转轴线在第i高度的平行度误差为S(i)。当被测件3位于如图9所示的位置(a)时，传感器1测得的圆柱第i截面轮廓的综合误差为Vai(θ)，传感器2测得的圆柱第i截面轮廓综合误差为V’ai(θ)；当圆柱3随误差分离转台8相对于主轴9转过180°到达图10所示的位置(b)时，在此位置上传感器1测得的圆柱第i截面轮廓综合误差为Vbi(θ)，传感器2测得的圆柱第i截面轮廓综合误差为V’bi(θ)。
分离的基本原理如下：如图9所示，将被测件3置于回转工作台4的初始位置(a)处，回转工作台4带动误差分离转台8和被测件3整周旋转，传感器1和2沿立式导轨移动，并逐截面对径测量被测件3在1，2，…，i，…，N高度处的截面圆轮廓；
设压缩传感器测头的方向为传感器正向，则被测圆柱形状和仪器主轴形状向外凸起的方向分别为Wi(θ)和ei(θ)的正向。对任意测量截面i，传感器1和2测得的轮廓综合误差信号{Vai(θ)}和{V′ai(θ)}(i＝1，2，…，i，…，N)分别为：
Vai(θ)＝Wi(θ)+G(i)+S(i)+ei(θ) (1)
V’ai(θ)＝Wi(θ+π)-G(i)-S(i)-ei(θ) (2)
完成(a)位置的测量后，误差分离转台带动被测圆柱相对主轴旋转180°到达图10所示的位置(b)，重复(a)位置的测量步骤，并且传感器1和传感器2测量被测件3的截面位置依次与(a)位置截面严格对应，则对任意测量截面i，传感器1和2测得的轮廓综合误差信号{Vbi(θ)}和{V′bi(θ)}(i＝1，2，…，i，…，N)分别为：
Vbi(θ)＝Wi(θ+π)+G(i)+S(i)+ei(θ) (3)
V′bi(θ)＝Wi(θ)-G(i)-S(i)-ei(θ) (4)
将式(1)+(4)、式(3)+(2)，可以分别得到分离后的两组第i截面轮廓的形状信号Wi(θ)和Wi(θ+π)：
Wi(θ)=Vai(θ)+Vbi′(θ)2---(5)]]>
Wi(θ+π)=Vai′(θ)+Vbi(θ)2---(6)]]>
将式(1)+(3)-(2)-(4)，可以得到分离后的第i高度上的立式导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及主轴空间回转误差的综合信号：
G(i)+S(i)+ei(θ)=Vai(θ)+Vbi(θ)-Vai′(θ)-Vbi′(θ)4---(7)]]>
为了充分利用所有的测量信息，可以利用测量轮廓的封闭性对式(6)做移相处理，则式(6)变为式(8)：
Wi(θ)=Vai′(θ+π)+Vbi(θ+π)2---(8)]]>
则式(5)+(8)后，可以获得新的分离后的第i截面轮廓的形状信号Wi(θ)：
Wi(θ)=Vai(θ)+Vai′(θ+π)+Vbi′(θ)+Vbi(θ+π)4---(9)]]>
由式(9)和(7)可以看到，将圆柱在测量位置(a)和(b)的所有测量信息融合处理后，可以利用其统计特性降低随机误差和漂移对形状测量的影响。
依此类推，可以得到Z向N个测量高度位置上剔除了立式导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及主轴空间回转误差的被测圆柱截面轮廓的形状信号{W1(θ)，W2(θ)，…，Wi(θ)，…，WN(θ)}；
将{Wi(θ)}(i＝1，2，…，i，…，N)代入圆柱度测量评定系统中进行圆柱度评定，就可得到剔除了立式导轨直行误差、导轨与回转轴线之间的平行度误差以及主轴空间回转误差的被测圆柱的圆柱度值。
可完全分离圆柱度仪基准误差的圆柱形状测量方法的有效性在图12中得到证明。在图12(a)中，14为立式导轨直行误差和导轨与回转轴线之间的平行度误差迭加图、15为主轴空间回转误差图，16为被测圆柱实际形状图；当上述三项误差(14和15)和被测圆柱实际形状16迭加后，从传感器1和传感器2测量得到的被测圆柱形状17和18与被测圆柱实际形状16完全不同，如图12(b)所示；经过双传感器逐截面误差分离后得到的被测圆柱形状19和圆柱实际形状16完全相同，如图12(c)所示。
因此采用上述发明，不仅可以有效地分离超精密圆柱度仪的三大系统误差，消除这三大系统误差对圆柱形状测量的影响，而且还可以降低仪器和环境产生的测量随机误差和漂移对圆柱形状测量的影响。该发明可以大幅降低超精密圆柱度仪的测量不确定度，显著提高圆柱度的测量精度。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。