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基于误差分离的圆柱度精密测量技术研究

雷贤卿  
【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征,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,是一种提高形状误差测量精度的有效途径。本文采用三点法圆度误差分离技术的基本原理,重点研究圆柱度误差要素的分离和被测圆柱体形貌重构问题,探讨圆柱度形状误差的评定方法,并对本文所提的圆柱度误差分离及重构方法进行实验验证。 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的同时,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回转误差运动分离的难题;提出了一种新的圆度误差分离算法——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即可得到截面圆度误差。对被测截面圆轮廓进行了重构并作了仿真验证。 通过分析被测圆柱体的空间运动,建立以回转轴线平均线为坐标轴的绝对坐标系和以三个传感器交点为坐标原点的测量坐标系,结合三点法圆度误差分离原理,正确分离出被测圆柱体的截面半径差、截面圆度误差和截面最小二乘圆心的偏心误差运动,并同时分离出回转轴径向回转运动误差和测量架的直行运动误差。分析了被测圆柱体形貌的重构基准,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的重构方法。 对形状误差(圆度、平面直线度、空间直线度、圆柱度)的评定方法及算法进行了讨论,提出了一种评价圆度误差、平面直线度误差、空间直线度误差及圆柱度误差的新算法——网格搜索法,该算法不需要对距离公式(点到点、点到直线)线性化,也不需要选定优化方向和优化步长,只需重复调用距离公式和简单的判断即可得到符合定义的形状误差。 本论文提出了一种验证误差分离方法的实验验证方法——自律验证法,该验证方法利用多次测量的误差分离结果能够判断误差分离方法的正确性,不必采用其他高精度的仪器来做比对实验。利用自律验证法对本文提出的圆柱度误差分离及重构方法系统地进行了实验验证。实验结果表明,本文提出的圆柱度误差分离及重构方法可以比较完整地分离出仪器误差,从而实现圆柱度误差的精密测量。


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