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复杂曲面轮廓测量仪垂直度误差分析研究

赖涛  
【摘要】:由于复杂曲面具有形状的任意性和数学表达的困难性,给测量和评价带来很大挑战,对相应测量机的垂直度精度也提出了极高的要求。对于高精度复杂曲面轮廓测量平台,其三轴间的垂直度必须得到精确的测量和控制,这样才能使测量平台具备优异的测量性能。但是由于传统垂直度测量方法利用标准件如直角尺、光学方砖等作为测量直角标准,主要存在两个方面弊端:一是标准件的测量角精度有限,其加工困难且成本高,直接影响垂直度的测量的结果;二是标准件即使能达到较高精度,但是其尺寸一般较小,大行程的标准件要得到亚角秒精度的测量角,难以实现。传统测量方法这两个弊端使得精密测量平台垂直度测量精度受到严重影响。针对传统方法测量垂直度存在的不足,本文提出了一种高精度垂直度测量方法——误差分离法,分析了该方法的理论测量精度并研究了其测量精度受测量件精度的影响程度,并对实验室自研的高精度复杂曲面轮廓测量机的垂直度进行了测量,获得了亚角秒量级的测量精度,为亚微米量级轮廓仪的研制提供技术支撑。论文的主要研究工作包括:1.垂直度对轮廓仪测量复杂曲面的影响技术研究。采用空间几何的方法,分析了空间三项垂直度对测量精度的影响,建立了轮廓仪测量不确定度与三项垂直度之间的约束关系,得到了亚微米量级精度轮廓仪所需的垂直度指标要求。2.误差分离法测量垂直度原理研究。分别介绍了利用三角形、四边形和多边形测量导轨垂直度的原理,并结合超精密运动平台实际结构建立测量模型,根据测量原理和测量模型编写仿真程序,最后对测量原理进行分析验证,得到其垂直度测量理论误差。3.误差分离法测量垂直度应用技术研究。对三坐标测量机、超精密车床以及轮廓仪的垂直度进行测量,主要介绍和分析了轮廓仪垂直度测量过程及误差,得到其垂直度以及垂直度测量不确定度。用标准件法对相同状态下的轮廓仪垂直度进行测量。将两者的测量结果进行对比发现,标准件法测量精度远低于误差分离法测量精度。4.测量过程误差分析研究。通过对方砖面形、角度精度的改变,研究了误差分离法测量导轨垂直度受测量件精度的影响程度。实验结果表明,随着方砖面形PV值和角度变化,轮廓仪垂直度测量结果基本保持不变。通过仿真实验和测量线、面间的空间位置几何分析,对误差分离法测量垂直度进行了误差分析,得到四项误差对垂直度测量误差影响总和。


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