專利名稱：基于雙向測(cè)量的溫度誤差補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圓柱坐標(biāo)系三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)，能夠在車間使用條件下，對(duì)于溫度變化引起的測(cè)量機(jī)和工件變形所產(chǎn)生的測(cè)量誤差實(shí)現(xiàn)有效的補(bǔ)償，提高測(cè)量 精度。屬于測(cè)試技術(shù)及儀器領(lǐng)域。具體講涉及基于雙向測(cè)量的溫度誤差補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
回轉(zhuǎn)體零件在工業(yè)生產(chǎn)的各種零件中，特別在軍工生產(chǎn)中占有很大比重。它們作 為機(jī)器的關(guān)鍵零件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空、航天、國(guó)防等領(lǐng)域中?；剞D(zhuǎn)體類工件的母線可 以為直線段或圓弧段，表面的形狀可以是圓柱面、圓錐面、球面、圓環(huán)面、平面等。盡管回轉(zhuǎn) 體類零件的結(jié)構(gòu)與尺寸隨其用途不同而異，但其結(jié)構(gòu)一般都具有以下特點(diǎn)對(duì)各個(gè)截面的 圓度有較高要求，有多個(gè)內(nèi)外圓回轉(zhuǎn)面需要檢測(cè)，并對(duì)它們的同軸度要求較高。這些零件往 往是機(jī)器、裝備的關(guān)鍵件，批量大，需要100%檢測(cè)?；剞D(zhuǎn)體零件的高精度、高效率已經(jīng)成為 國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防中許多部門的迫切需求。圓柱坐標(biāo)系三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)特別適合于回轉(zhuǎn)體零件的檢測(cè)。圓柱坐標(biāo)系三坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)的總體構(gòu)成和工作原理如圖1所示。測(cè)量機(jī)由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和若干個(gè)測(cè)量架組成。工件安 裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上由夾具夾緊定心，并由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)量架上分別裝有各 種測(cè)頭，以測(cè)量工件的內(nèi)外表面的軸向與徑向尺寸、形狀與位置誤差。圓柱坐標(biāo)系三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)。1)測(cè)量效率高測(cè)量時(shí)工件連續(xù)旋轉(zhuǎn)、測(cè)頭固定不動(dòng)，工件轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，就完成對(duì)一個(gè) 截面的測(cè)量。而在傳統(tǒng)正交式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，需要逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，十分費(fèi)時(shí)。2)形位測(cè)量精度高采用在回轉(zhuǎn)過(guò)程中測(cè)量，只有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差和測(cè)頭的 測(cè)量不確定度影響測(cè)量圓度、圓跳動(dòng)、同軸度等形位誤差的精度，而各個(gè)測(cè)量架上的各個(gè)部 件的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)于這些形位測(cè)量精度基本沒(méi)有影響，因?yàn)樵跍y(cè)量一個(gè)截面時(shí)它們不動(dòng)。3)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單、防碰撞問(wèn)題比較容易解決。但是圓柱坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也有它自己的問(wèn)題。這主要是被測(cè)工件的尺寸不能直接從各 個(gè)測(cè)量架的的標(biāo)尺中讀出。從標(biāo)尺中讀出的只是各個(gè)移動(dòng)架的相對(duì)位移，為了確定被測(cè)工 件的絕對(duì)尺寸，需要知道各個(gè)測(cè)量架的坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置，以 及坐標(biāo)軸之間的方向關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)各個(gè)測(cè)量架與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。通常通過(guò)對(duì)基 準(zhǔn)件的標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)這一坐標(biāo)系的統(tǒng)一。然而，如圖1所示，由于溫度變化會(huì)使各個(gè)測(cè)量架相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置和坐 標(biāo)軸的方向發(fā)生變化，引起測(cè)量誤差。特別對(duì)于在車間使用的圓柱坐標(biāo)測(cè)量機(jī)溫度變化引 起的測(cè)量誤差會(huì)很大，常達(dá)幾十至數(shù)百微米。溫度誤差補(bǔ)償最常用的方法是建立溫度場(chǎng)與 熱變形模型。這種方法不僅復(fù)雜，而且難以獲得好的效果。特別是在車間條件下，溫度變化 復(fù)雜，采用建立溫度場(chǎng)模型與熱變形模型的方法難以獲得好的效果。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有一部分回轉(zhuǎn)體零件需要通過(guò)螺紋與相關(guān)件連接，并保證相連接的 相關(guān)件具有準(zhǔn)確的位置與方向，為此需要通過(guò)一些套筒，作為模擬的相關(guān)件，測(cè)量其在離開(kāi)零件一定位置處的延伸部位的跳動(dòng)量。在這種情況下可以將套筒作為基準(zhǔn)件，利用它實(shí)現(xiàn) 溫度誤差補(bǔ)償。但是在更多的情況下工件沒(méi)有螺紋連接，或者沒(méi)有延伸部位的跳動(dòng)量需要 測(cè)量。這時(shí)為了溫度誤差補(bǔ)償，引入專用的套筒就不方便。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件精密測(cè)量中的溫度補(bǔ)償，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，包括下列步驟1.選定或設(shè)計(jì)制造能夠進(jìn)行孔徑雙向測(cè)量的測(cè)頭；2.利用一個(gè)內(nèi)徑、外徑都經(jīng)過(guò)標(biāo)定、可以溯源的量規(guī)對(duì)測(cè)量機(jī)各個(gè)測(cè)量架的零位、 軸線方向進(jìn)行標(biāo)定；3.建立溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型；4.在建立的溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上編寫誤差補(bǔ)償程序，并將它加入到工 件測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理程序中；5.將為進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償所需要測(cè)量的截面加入到測(cè)量程序中，在測(cè)量工件過(guò)程 中加測(cè)用于誤差補(bǔ)償所需要測(cè)量的截面；6.進(jìn)行測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果1、可以對(duì)任意截面處由于溫度變化弓丨起的內(nèi)、外徑測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償；2、簡(jiǎn)便快捷。


圖1為圓柱坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作原理圖。1-回轉(zhuǎn)工作臺(tái)2-夾具3-軸向參數(shù)外測(cè)架4-測(cè)量軸向參數(shù)的外測(cè)頭5-工件6_內(nèi) 測(cè)主軸 -徑向參數(shù)外測(cè)架8-能夠進(jìn)行雙向測(cè)量的內(nèi)測(cè)頭9-徑向參數(shù)測(cè)量外測(cè)頭。圖2為內(nèi)測(cè)徑向誤差補(bǔ)償測(cè)量示意圖。圖3為雙向測(cè)量裝置示意圖。圖4為外測(cè)架徑向誤差補(bǔ)償測(cè)量示意圖。11-回轉(zhuǎn)工作臺(tái)12-工件13-內(nèi)測(cè)主軸14-外測(cè)架15-外測(cè)頭。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙向測(cè)量的溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高圓柱坐標(biāo)測(cè) 量機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性。在圓柱坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量工件尺寸的溫度誤差主要由以下三方面的因素引起。1.測(cè)量架相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)生平移。2.測(cè)量架的運(yùn)動(dòng)軸線方向相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。3.工件本身的熱膨脹。本發(fā)明提出了一種通過(guò)雙向測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。其工作原理如 圖2所示。在圓柱坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量工件直徑時(shí)，從標(biāo)尺中讀出的只是各個(gè)移動(dòng)架的相對(duì)位移，為了確定被測(cè)工件的絕對(duì)尺寸，需要知道各個(gè)測(cè)量架的坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)坐 標(biāo)系原點(diǎn)的相對(duì)位置，由于熱變形等原因使測(cè)量架的坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)坐標(biāo)系原 點(diǎn)的位置發(fā)生變化就會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。在圖2a所示測(cè)量孔的右側(cè)情況下，如果由于熱變形 使測(cè)量機(jī)的內(nèi)測(cè)主軸右移S1，就會(huì)使測(cè)量得到的孔徑值減小2 δ 1()為了補(bǔ)償這一誤差，可 以利用一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙向測(cè)量的裝置，從左側(cè)再次進(jìn)行測(cè)量，如圖2b所示。這時(shí)，測(cè)量機(jī)的 主軸右移S1會(huì)使測(cè)量得到的孔徑值增大2 δ 1()通過(guò)左右兩側(cè)的兩次測(cè)量，取其平均值，就 可以消除由于熱變形等引起的測(cè)量機(jī)內(nèi)測(cè)主軸平移的測(cè)量誤差。通過(guò)求取左右兩側(cè)的兩次測(cè)量結(jié)果的差，就可以得到4 δ 從而獲得由于熱變形 等引起的測(cè)量機(jī)內(nèi)測(cè)主軸平移量S工，對(duì)各個(gè)截面的孔徑進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。
一般說(shuō)，測(cè)量架標(biāo)尺的零位與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線間的距離比工件的內(nèi)徑大許多，可 以認(rèn)為溫度誤差主要由內(nèi)測(cè)主軸標(biāo)尺的零位相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線距離的變化引起。然而，溫度變化不僅會(huì)引起內(nèi)測(cè)主軸相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線的平移，而且可能使 它們之間的夾角發(fā)生變化。由于內(nèi)測(cè)主軸相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線的偏轉(zhuǎn)，會(huì)使在不同高度 截面處，內(nèi)測(cè)主軸相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線的平移量不同。為了解決這一問(wèn)題，需要在兩個(gè)不 同的高度上進(jìn)行左右兩側(cè)的測(cè)量，如圖2c和2d所示。這樣通過(guò)在兩個(gè)不同的高度上進(jìn)行 左右兩側(cè)的測(cè)量，分別得到在這兩個(gè)截面上內(nèi)測(cè)主軸相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線的平移量\
和S2，就可以算出內(nèi)測(cè)主軸相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線的偏轉(zhuǎn)Δ# = 。在測(cè)量得到S1*
Z1 -Z2
δ2后就可以對(duì)任意截面處由于溫度變化引起的外徑測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。從左右兩側(cè)進(jìn)行孔徑測(cè)量，可以由許多方法實(shí)現(xiàn)。圖3a中利用兩個(gè)反向?qū)拥男?型測(cè)頭；圖3b中采用一種推讓式機(jī)構(gòu)，它可以與一般的商品單向測(cè)頭相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)雙向測(cè) 量；圖3c是利用測(cè)頭回轉(zhuǎn)體將測(cè)頭180°轉(zhuǎn)位，實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)量。外徑測(cè)量的溫度誤差補(bǔ)償比內(nèi)徑測(cè)量復(fù)雜。如圖1所示，外測(cè)頭雖然可以設(shè)計(jì)成 能夠雙向探測(cè)，或者利用測(cè)頭回轉(zhuǎn)體進(jìn)行180°轉(zhuǎn)位，但是它難以轉(zhuǎn)到工件的另一側(cè)進(jìn)行徑 向測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)外徑測(cè)量的溫度誤差，同樣需要在兩個(gè)不同高度的截面上測(cè)量得到外測(cè) 量架的零位相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線的平移量。可以選用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)體外表面作為第一個(gè)基準(zhǔn)截面，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)體 的外徑可以需要事先精確標(biāo)定。通過(guò)在測(cè)量工件過(guò)程中加測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)體的外徑(圖4a)，從而 獲得由于溫度變化等引起的外測(cè)量架的零位相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線在該截面上的平移量
δ 3。可以選用某一高度處的內(nèi)測(cè)主軸表面作為第二個(gè)截面。一方面內(nèi)測(cè)主軸可以升得 很高，這樣有利于拉大兩個(gè)截面之間的距離，從而提高確定外測(cè)軸相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線 偏轉(zhuǎn)的精度。另一方面，內(nèi)測(cè)主軸表面的初始位置可以通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)進(jìn)行標(biāo)定，而在實(shí) 際測(cè)量中內(nèi)測(cè)主軸的位置變化已在內(nèi)徑測(cè)量溫度誤差補(bǔ)償過(guò)程中確定，因此內(nèi)測(cè)主軸表面 的位置是已知的。在測(cè)量工件過(guò)程中，可以以它為基準(zhǔn)，通過(guò)用外測(cè)頭測(cè)量?jī)?nèi)測(cè)主軸的位置 (圖4b)，來(lái)確定外測(cè)量架的零位相對(duì)于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線在第二個(gè)截面上的平移量δ4。根 據(jù)測(cè)量得到、和、后就可以對(duì)任意截面處由于溫度變化引起的外徑測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。由上例概括為1.選定或設(shè)計(jì)制造能夠進(jìn)行孔徑雙向測(cè)量的測(cè)頭。
2.利用一個(gè)內(nèi)徑、外徑都經(jīng)過(guò)標(biāo)定、可以溯源的量規(guī)對(duì)測(cè)量機(jī)各個(gè)測(cè)量架的零位、 軸線方向進(jìn)行標(biāo)定。3.建立溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型。4.在建立的溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上編寫誤差補(bǔ)償程序，并將它加入到工件測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理程序中。5.將為進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償所需要測(cè)量的截面加入到測(cè)量程序中，在測(cè)量工件過(guò)程 中加測(cè)用于誤差補(bǔ)償所需要測(cè)量的截面。6.進(jìn)行測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償。
權(quán)利要求
一種基于雙向測(cè)量的溫度誤差補(bǔ)償方法，其特征是，包括下列步驟(1)選定或設(shè)計(jì)制造能夠進(jìn)行孔徑雙向測(cè)量的測(cè)頭；(2)利用一個(gè)內(nèi)徑、外徑都經(jīng)過(guò)標(biāo)定、可以溯源的量規(guī)對(duì)測(cè)量機(jī)各個(gè)測(cè)量架的零位、軸線方向進(jìn)行標(biāo)定；(3)建立溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型；(4)在建立的溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上編寫誤差補(bǔ)償程序，并將它加入到工件測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理程序中；(5)將為進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償所需要測(cè)量的截面加入到測(cè)量程序中，在測(cè)量工件過(guò)程中加測(cè)用于誤差補(bǔ)償所需要測(cè)量的截面；(6)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明屬于測(cè)試技術(shù)及儀器領(lǐng)域。為提供一種基于雙向測(cè)量的溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高圓柱坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，1.選定或設(shè)計(jì)制造能夠進(jìn)行孔徑雙向測(cè)量的測(cè)頭；2.利用一個(gè)內(nèi)徑、外徑都經(jīng)過(guò)標(biāo)定、可以溯源的量規(guī)對(duì)測(cè)量機(jī)各個(gè)測(cè)量架的零位、軸線方向進(jìn)行標(biāo)定；3.建立溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型；4.在建立的溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上編寫誤差補(bǔ)償程序；5.將為進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償所需要測(cè)量的截面加入到測(cè)量程序中；6.進(jìn)行測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償。本發(fā)明主要應(yīng)用于回轉(zhuǎn)體零件測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B21/10GK101825454SQ201010168938
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者劉書桂, 張國(guó)雄, 李杏華, 裘祖榮, 郭敬濱 申請(qǐng)人:天津大學(xué)