[發(fā)明專利]一種在位測量圓環(huán)形平面形狀誤差的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710298345.3
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107152922B
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫清超;劉鑫;王玨;孫偉;姜英杰;索嘉琪
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01B21/20
• 分類號: G01B21/20;G01B21/30
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

1.一種在位測量圓環(huán)形平面形狀誤差的方法，其特征在于，所述的一種在位測量圓環(huán)形平面形狀誤差的方法用一種圓環(huán)面平面度在線測量系統(tǒng)進(jìn)行在線測量；

所述的圓環(huán)面平面度在線測量系統(tǒng)包括調(diào)姿部分、回轉(zhuǎn)部分和測量部分；

調(diào)姿部分包括調(diào)姿臺(5)、調(diào)姿臺電機(jī)(4)和轉(zhuǎn)接板；調(diào)姿臺(5)用于調(diào)節(jié)沿z軸和x軸的回轉(zhuǎn)角度，由調(diào)姿臺電機(jī)(4)控制，調(diào)姿臺電機(jī)(4)由控制器控制；z軸為垂直于調(diào)姿臺(5)平面的軸，調(diào)整角度為0°～360°；x軸為垂直調(diào)姿臺電機(jī)(4)軸方向的軸，調(diào)整角度為-30°～30°；轉(zhuǎn)接板的下表面連接在調(diào)姿臺(5)臺面上，其上表面一側(cè)連接有回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)；

回轉(zhuǎn)部分包括回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)和分回轉(zhuǎn)分度盤(1)；回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)主體為方體框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)表面和底面開有T型槽，T型槽與轉(zhuǎn)接板通過螺栓螺母配合連接；回轉(zhuǎn)分度盤(1)上的齒輪與回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)上的齒輪嚙合；回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)頂面設(shè)有扳手，扳手向前扳動，帶動回轉(zhuǎn)分度盤(1)向前運(yùn)動，使回轉(zhuǎn)分度盤(1)上的齒輪與回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)上的齒輪嚙合，手動轉(zhuǎn)動所需角度，扳手向回扳動，使回轉(zhuǎn)分度盤(1)與回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)上的齒輪脫離嚙合，并卡死以固定；

回轉(zhuǎn)分度盤(1)的最小回轉(zhuǎn)角度為1°，回轉(zhuǎn)精度為10″，回轉(zhuǎn)分度盤(1)臺面上開有T型槽和中心孔；回轉(zhuǎn)分度盤(1)一側(cè)通過中心孔與傳感器夾具(10)的心軸定位，通過T型槽和螺栓螺母(2)配合固定，另一側(cè)通過齒輪與回轉(zhuǎn)分度盤底座(7)上的齒輪嚙合；

測量部分包括傳感器夾具(10)、傳感器保持架和接觸式傳感器(8)；傳感器夾具(10)為圓盤結(jié)構(gòu)，在傳感器夾具(10)上共布置有4組傳感器插孔，其中兩組為單排傳感器插孔，數(shù)量為3個，另兩組為雙排傳感器插孔，每排3個，共6個；每排傳感器插孔的中心插孔位置設(shè)為0°、90°、180°和270°，中心傳感器插孔兩側(cè)的傳感器插孔與中心的夾角為10°；每排中所有傳感器插孔與圓心的距離相等，排與排之間不相等，傳感器插孔與傳感器夾具(10)的圓心距離為100mm～300mm；單排傳感器插孔用來測量法蘭面上孔中心線上的平面度，雙排傳感器插孔用來測量孔徑向兩側(cè)的平面度；每個傳感器插孔內(nèi)安裝一個傳感器保持架用來固定接觸式傳感器(8)；接觸式傳感器(8)測量的數(shù)據(jù)通過RS232總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)內(nèi)編寫Labview程序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和分析；

測量步驟如下：

步驟A：傳感器夾具(10)上至少安裝五個接觸式傳感器(8)，其中，三個接觸式傳感器(8)V₁、V₂和V₃是測量用傳感器，安裝于任一組中的任一排插孔中，但必須安裝在同一排；第四個接觸式傳感器(8)V₄安裝于與V₂夾角為90°的插孔中，且位于中心插孔；第五個接觸式傳感器(8)V₅安裝于與V₂夾角為90°的插孔中，且位于中心插孔，其與V₄對稱；其中V₁、V₂所夾圓心角為α₁，V₂、V₃所夾圓心角為α₂，其中：α₁＝α₂＝α，且N為待測件上的測量點(diǎn)數(shù)量；

步驟B：設(shè)待測件與傳感器夾具(10)盤面的軸的傾角為θ，每次測量時的轉(zhuǎn)角為α，設(shè)V₁，V₂，V₃三個接觸式傳感器(8)在y軸方向與待測件的距離分別為d₁，d₂，d₃，由于安裝誤差很難完全調(diào)平，因此有不平度誤差δ₁＝d₂-d₁，δ₂＝d₃-d₁，則對于第k個測量點(diǎn)，有：

δ′₁＝δ₁+Rθ{cos(kα)-cos[(k+1)α]} (1)

δ′₂＝δ₂+Rθ{cos(kα)-cos[(k+2)α]} (2)

上式表明：待測件在在位測量時，調(diào)零誤差δ′₁和δ′₂并非定值，而是轉(zhuǎn)角α的函數(shù)，通過調(diào)平過程使δ₁＞＞Rθ，因而認(rèn)為δ′₁＝δ₁，δ′₂＝δ₂；

對V₂，V₄，V₅三個接觸式傳感器(8)測頭進(jìn)行調(diào)平處理，調(diào)平由調(diào)姿臺(5)實現(xiàn)，調(diào)姿臺(5)具有兩個自由度，通過調(diào)姿臺電機(jī)(4)調(diào)節(jié)x軸方向與z軸方向的旋轉(zhuǎn)；首先調(diào)節(jié)z軸方向的旋轉(zhuǎn)，使得V₄和V₅兩傳感器的讀數(shù)相同，再調(diào)節(jié)x軸方向的旋轉(zhuǎn)，使得V₂的讀數(shù)與V₄和V₅的讀數(shù)相同；

步驟C：在調(diào)平操作后，V₂，V₄，V₅確定一個基面；V₁，V₃兩個接觸式傳感器(8)與此基面在y軸方向上存在安裝誤差，通過反復(fù)調(diào)整傳感器夾具(10)以盡量減小差值，使δ₁、δ₂盡可能減小；

步驟D：完成步驟B和步驟C后，讀取V₁，V₂，V₃數(shù)值并記錄第一組讀數(shù)；然后向前扳動扳手(11)使回轉(zhuǎn)分度盤(1)旋轉(zhuǎn)，之后順時針或逆時針轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)分度盤(1)，轉(zhuǎn)角為α，向后扳動扳手(11)使回轉(zhuǎn)分度盤(1)固定，記錄第二組讀數(shù)，以此類推，讀取N組讀數(shù)；

設(shè)S(k)為待測件第k次測量點(diǎn)平面度誤差在y軸方向上的分量，R(k)為傳感器夾具(10)第k次測量點(diǎn)在y軸上的分量，tanγ(k)是傳感器夾具平面誤差導(dǎo)致的夾角的正切值；V₁(k)、V₂(k)、V₃(k)分別是傳感器V₁、V₂、V₃的同組測量值，Δl為兩相鄰測量點(diǎn)間的間隔，則有：

V₁(k)＝S(k)+R(k) (3)

V₂(k)＝S(k+1)+R(k)+Δl tanγ(k) (4)

V₃(k)＝S(k+2)+R(k)+2Δl tanγ(k) (5)

令R(1)＝0，則有S(1)＝V₁(1)，S(2)＝V₂(1)，從而求得遞推公式：

S(k+2)＝V₁(k)-2V₂(k)+V₃(k)-S(k)+2S(k+1) (6)

當(dāng)考慮安轉(zhuǎn)造成的不平度誤差時有：

V₁(k)＝S(k)+R(k) (7)

V₂(k)＝S(k+Δl)+R(k)+Δl tanγ(k)+δ₁ (8)

V₃(k)＝S(k+2Δl)+R(k)+2Δl tanγ(k)+δ₂ (9)

利用歸納法，從而得S(k+2)的誤差項為：

步驟E：讀取N組讀數(shù)之后繼續(xù)轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)分度盤(1)，讀取第N+1組與第N+2組數(shù)據(jù)，用以消除初值誤差；由于被測面是圓環(huán)，又有故第N+1點(diǎn)和第1點(diǎn)重合，第N+2點(diǎn)和第2點(diǎn)重合，令

a＝S(N+2)-S(2),b＝S(N+1)-S(1), (11)

解出δ₁和δ₂的值分別為：

解出，δ₁和δ₂代入式(6)中，可得到S(k+2)的誤差項的值Δs(k+2)，則誤差分離公式為