基于双向测量的温度误差补偿方法 【技术领域】
本发明涉及圆柱坐标系三坐标测量机的温度误差补偿技术，能够在车间使用条件下，对于温度变化引起的测量机和工件变形所产生的测量误差实现有效的补偿，提高测量精度。属于测试技术及仪器领域。具体讲涉及基于双向测量的温度误差补偿方法。
背景技术
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，但其结构一般都具有以下特点：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。
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。
圆柱坐标系三坐标测量机有以下优点。
1)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。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。
2)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。
3)测头运动简单、防碰撞问题比较容易解决。
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，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。
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。
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测量。这时为了温度误差补偿，引入专用的套筒就不方便。
【发明内容】
为克服现有技术的不足，实现回转体零件精密测量中的温度补偿，本发明采用的技术方案是，包括下列步骤：
1.选定或设计制造能够进行孔径双向测量的测头；
2.利用一个内径、外径都经过标定、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；
3.建立温度误差补偿的数学模型；
4.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；
5.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；
6.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。
本发明具有如下技术效果：
1、可以对任意截面处由于温度变化引起的内、外径测量误差进行补偿；
2、简便快捷。
【附图说明】
图1为圆柱坐标测量机工作原理图。
1-回转工作台2-夹具3-轴向参数外测架4-测量轴向参数的外测头5-工件6-内测主轴7-径向参数外测架8-能够进行双向测量的内测头9-径向参数测量外测头。
图2为内测径向误差补偿测量示意图。
图3为双向测量装置示意图。
图4为外测架径向误差补偿测量示意图。
11-回转工作台12-工件13-内测主轴14-外测架15-外测头。
【具体实施方式】
本发明的目的在于提供一种基于双向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。
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。
1.测量架相对于回转工作台产生平移。
2.测量架的运动轴线方向相对于回转轴线发生偏转。
3.工件本身的热膨胀。
本发明提出了一种通过双向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。
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所示测量孔的右侧情况下，如果由于热变形使测量机的内测主轴右移δ1，就会使测量得到的孔径值减小2δ1。为了补偿这一误差，可以利用一种能够实现双向测量的装置，从左侧再次进行测量，如图2b所示。这时，测量机的主轴右移δ1会使测量得到的孔径值增大2δ1。通过左右两侧的两次测量，取其平均值，就可以消除由于热变形等引起的测量机内测主轴平移的测量误差。
通过求取左右两侧的两次测量结果的差，就可以得到4δ1，从而获得由于热变形等引起的测量机内测主轴平移量δ1，对各个截面的孔径进行温度误差补偿。
一般说，测量架标尺的零位与回转工作台轴线间的距离比工件的内径大许多，可以认为温度误差主要由内测主轴标尺的零位相对于回转工作台轴线距离的变化引起。
然而，温度变化不仅会引起内测主轴相对于回转工作台轴线的平移，而且可能使它们之间的夹角发生变化。由于内测主轴相对于回转工作台轴线的偏转，会使在不同高度截面处，内测主轴相对于回转工作台轴线的平移量不同。为了解决这一问题，需要在两个不同的高度上进行左右两侧的测量，如图2c和2d所示。这样通过在两个不同的高度上进行左右两侧的测量，分别得到在这两个截面上内测主轴相对于回转工作台轴线的平移量δ1和δ2，就可以算出内测主轴相对于回转工作台轴线的偏转在测量得到δ1和δ2后就可以对任意截面处由于温度变化引起的外径测量误差进行补偿。
从左右两侧进行孔径测量，可以由许多方法实现。图3a中利用两个反向对接的小型测头；图3b中采用一种推让式机构，它可以与一般的商品单向测头相结合，实现双向测量；图3c是利用测头回转体将测头180°转位，实现双向测量。
外径测量的温度误差补偿比内径测量复杂。如图1所示，外测头虽然可以设计成能够双向探测，或者利用测头回转体进行180°转位，但是它难以转到工件的另一侧进行径向测量。为了实现外径测量的温度误差，同样需要在两个不同高度的截面上测量得到外测量架的零位相对于回转工作台轴线的平移量。
可以选用回转工作台的转动体外表面作为第一个基准截面，回转工作台的转动体的外径可以需要事先精确标定。通过在测量工件过程中加测转动体的外径(图4a)，从而获得由于温度变化等引起的外测量架的零位相对于回转工作台轴线在该截面上的平移量δ3。
可以选用某一高度处的内测主轴表面作为第二个截面。一方面内测主轴可以升得很高，这样有利于拉大两个截面之间的距离，从而提高确定外测轴相对于回转工作台轴线偏转的精度。另一方面，内测主轴表面的初始位置可以通过测量标准量规进行标定，而在实际测量中内测主轴的位置变化已在内径测量温度误差补偿过程中确定，因此内测主轴表面的位置是已知的。在测量工件过程中，可以以它为基准，通过用外测头测量内测主轴的位置(图4b)，来确定外测量架的零位相对于回转工作台轴线在第二个截面上的平移量δ4。根据测量得到δ3和δ4后就可以对任意截面处由于温度变化引起的外径测量误差进行补偿。
由上例概括为：
1.选定或设计制造能够进行孔径双向测量的测头。
2.利用一个内径、外径都经过标定、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。
3.建立温度误差补偿的数学模型。
4.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。
5.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。
6.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。