專利名稱：平面度誤差分離法及實(shí)時(shí)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械量形位誤差測量領(lǐng)域。
目前對(duì)大尺寸工件的平面度一般利用機(jī)床加工精度來保證。由于受到機(jī)床本身精度的限制，很難達(dá)到很高精度。利用準(zhǔn)直儀，水平儀等傳統(tǒng)方法對(duì)大平面，尤其直徑在Φ3M以上的特大平面的平面度測量極為困難。例如哈爾濱電機(jī)廠研制的Φ3.9M鏡板平面度檢查儀就是利用水平儀的測量方法，檢查儀結(jié)構(gòu)如

圖1所示由支架[1]、扭簧表[2]、合象水平儀[3]、平尺[4]、支承圓柱[5]、拎手[6]組成。此種方法要求避免平尺、檢查儀有局部溫度變化造成變形，搬移或測量校對(duì)時(shí)必須戴手套，在工作地點(diǎn)等溫后再進(jìn)行調(diào)試。合象水平儀零位必須仔細(xì)校對(duì)，要求支架轉(zhuǎn)180°零位變化極微小。測量方法是在工作直徑方向上用合象的水平儀的水準(zhǔn)位置判斷工件的凸心或凹心，扭簧表可以讀出徑向直線度凸凹程度。此方法測量時(shí)間長、精度低、對(duì)測量工具，現(xiàn)場環(huán)境要求高。不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。
為解決上述測量方法的不足之處，本發(fā)明提出一種新的測量方法，可在工件加工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并能消除因加工運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，機(jī)床本身精度所帶來的誤差，使測量結(jié)果達(dá)到較高的精度。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種平面度誤差分離測量方法，其特征在于采用五個(gè)測頭同時(shí)測量，所說的五個(gè)測頭按兩個(gè)方向排列，同一方向相鄰兩測頭之間距離相等，并且等于該方向上的測量間距，以保證各測頭的測量點(diǎn)重合。所測數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)方法處理可消除誤差得到真實(shí)的平面度值。根據(jù)這種測量方法，本發(fā)明提供出一種平面度時(shí)實(shí)測量儀，其特征在于包括按上述分布的五測頭及用于固定五測頭的夾具[9]、直流放大器[18]、A/D轉(zhuǎn)換器[19]、光電開關(guān)[21]、放大整形電路[16]、微處理機(jī)[20]等部件組成。測頭測得數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸入微處理機(jī)，按予先編制的消除誤差程序及平面度計(jì)算程序進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)顯示出結(jié)果。
本發(fā)明所說的測量方法及原理以在立車上加工圓形平面的平面度測量為例說明如下附圖2為在立車上測量被加工零件表面平面度的裝置簡圖，當(dāng)工件[10]表面在立車上磨削完后，取下刀架[7]上的磨具，裝上測頭夾具[9]。工作臺(tái)[11]帶著工件迴轉(zhuǎn)便可測量一周，刀架[7]由橫梁[8]導(dǎo)軌帶動(dòng)作徑向進(jìn)給，同時(shí)工作臺(tái)[11]繼續(xù)迴轉(zhuǎn)，這樣就可將整個(gè)平面測量完。在測量過程中，刀架移動(dòng)會(huì)使橫梁變形而使測頭下降而帶來測量誤差，另外刀架在橫梁導(dǎo)軌面上移動(dòng)，其導(dǎo)軌面上的直線性也會(huì)帶來一定的測量誤差。工作臺(tái)迴轉(zhuǎn)時(shí)由于迴轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)付的誤差等使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面不在同一平面，也將帶來測量誤差。這些誤差依靠圖3所示的五個(gè)測頭予以有效的消除。圖3中的五測頭是按同半徑與同圓周二個(gè)方向分布，A、B、C、D、E表示五測頭位置，其中測頭B位于兩個(gè)方向交點(diǎn)上。圓周R1上A、B、C點(diǎn)之間距離為l1，B、D、E點(diǎn)之間距離為l2。刀架運(yùn)動(dòng)誤差及導(dǎo)軌彎曲變形誤差通過B、D、E三個(gè)測頭分離出來并消除，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面性誤差由A、B、C和B、D、E測頭分離及消除。下面以刀架運(yùn)動(dòng)誤差及導(dǎo)軌彎曲變形，誤差的分離及消除，建立誤差分離方法的數(shù)學(xué)模型。設(shè)f(xi)為工件表面被測量點(diǎn)的直線度誤差;g(xi)為測量架運(yùn)動(dòng)時(shí)偏離理想運(yùn)動(dòng)方向引起的誤差;h(xi)為測量架在移動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)而引進(jìn)的附加的測頭讀數(shù)誤差。
設(shè)開始測量時(shí)，f(x1)＝0 g(x1)＝0 h(x1)＝0三個(gè)測頭讀數(shù)分別為B(x1)，D(x1)，E(x1)則有B(x1)＝f(x1)-g(x1)D(x1)＝f(x2)-g(x1) (1)E(x1)＝f(x3)-g(x1)移動(dòng)l距離后，則有B(x2)＝f(x2)-g(x2)+h(x2)D(x2)＝f(x3)-g(x2) (2)E(x2)＝f(x4)-g(x2)-h(x2)
設(shè)測量架在xi處時(shí)，三個(gè)測頭讀數(shù)分別為B(xi)，D(xi)，E(xi)，則有B(xi)＝f(xi)-g(xi)+h(xi)D(xi)＝f(xi+l)-g(xi) (3)E(xi)＝f(xi+2l)-g(xi)-h(xi)則B(xi)-2D(xi)+E(xi)＝f(xi+2l)-2f(xi+l)+f(xi)(4)設(shè)S(xi)＝B(xi)-2D(xi)+E(xi)則有S(xi)＝f(xi)-2f(xi+l)+f(xi+2l) (5)對(duì)于有限的測量點(diǎn)S(xn)＝f(xn)-2f(xn+l)+f(xn+2l) (6)(n＝0，1，2，……N-1)其中，N為測量點(diǎn)數(shù)。
將上式進(jìn)行付氏變換，且注意時(shí)移性質(zhì)，得Fs(n)=F4(n)-2Ff(n)ej2πN·nl(N-1)L+Ff(n)ej2πN·n2l(N-1)L(7)]]>L為測量全長。
j=-1]]>∵L＝(N-1)l
設(shè)H(n)=1-2ej2πnN+ej4πnN]]>(9)則Ff(n)＝Fs(n)/H(n) (10)由離散付氏變換頻譜計(jì)算公式Ff(n)=Σi=0N-1s(xi)e-j2πinN-]]>(11)由公式(9)和(11)求Fs(n)、H(n)后，即可確定Ff(n)，故得
f(xn)=F-1{f4(n)}= 1/(N)
(12)由公式(12)不難看出，刀架移動(dòng)誤差及刀架轉(zhuǎn)動(dòng)引起的測量誤差被消除了。用同樣的方法處理，可以消除工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面的誤差。
這種方法也適用對(duì)矩形平面平面度測量，其測頭按圖4分布，即按縱向與橫向二個(gè)方向分布，A、B、C、D、E為五測點(diǎn)的位置，A、B、C之間距離為l1，A、D、E之間距離為l2，其中A測點(diǎn)位于該兩個(gè)方向的交點(diǎn)上。
利用此方法還可以作為直線度測量，只需三個(gè)測頭，等距分布在一條直線上，且測量間距與測頭間距相等。
本發(fā)明所述方法特別適用大平面及特大平面的平面度測量，由于有效地消除了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面誤差及支承測頭的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差，從而大大提高了測量精度，并且穩(wěn)定可靠。配以微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)測量。
附圖簡要說明圖1為已有技術(shù)平面度檢查儀結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明平面度測量儀使用示意3為本發(fā)明五測頭分布圖(一)圖4為本發(fā)明五測頭分布圖(二)圖5為本發(fā)明實(shí)施例總體方案6為本發(fā)明實(shí)施例測量點(diǎn)分布示意7為本發(fā)明采用的定時(shí)采樣程序框8為本發(fā)明采用的平面度計(jì)算程序框圖其中[1]支架;[2]0.001扭簧表;[3]合象水平儀[4]平尺;[5]支承圓柱;[6]拎手;[7]刀架;[8]橫梁;[9]測頭夾具;[10]工件;[11]工作臺(tái);[12]手輪;[13]光欄;[14]光源;[15]光電工件;[16]放大整形電路;[17]電感測微儀;[18]直流放大器;[19]A/D轉(zhuǎn)換器;[20]微處理機(jī);[21]光電開關(guān);
本發(fā)明的一種實(shí)施例是為測量幾十萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)組的Φ6M鏡板而設(shè)計(jì)的測量儀。圖6為總體結(jié)構(gòu)框圖，其中測頭選用接觸式電感傳感器，五測頭固定在一個(gè)夾具[9]上，測頭分步如圖3所示，其中R1為2950mm，l1為140mm，l2為110mm，使用狀態(tài)如圖2所示，夾具[9]固定在立車的刀架[7]上，可隨刀架沿橫梁[8]水平方向移動(dòng)。被測工件[10]放在立車的圓工作臺(tái)[11]上，可與工作臺(tái)沿中心軸旋轉(zhuǎn)。工件外側(cè)固定一光欄[13]，光欄上方裝有一光源[14]，光欄下方裝有一光電元件[15]，光欄、光源、光電元件組成光電開關(guān)[21]，光電開關(guān)通過放大整形電路[22]與A/D轉(zhuǎn)換器[19]及微處理機(jī)[20]連接，電感測頭與電感測微儀[17]連接經(jīng)直流放大器[18]、A/D轉(zhuǎn)換器[19]與微處理機(jī)[20]連接。測量步驟如下①移動(dòng)刀架使測頭B的中心線到工作臺(tái)迴轉(zhuǎn)中心的距離等于R1。②使刀架下降，讓測頭與工件表面接觸，微調(diào)各測頭使讀數(shù)為零，并與夾具鎖緊，保持刀架高度在整個(gè)測量中不變。③啟動(dòng)微處理機(jī)，并讓工作臺(tái)以ω速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)光欄轉(zhuǎn)到光源與光電元件之間，截?cái)喙鈺r(shí)，光電元件發(fā)出脈沖，使微處理機(jī)開始采樣，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，光欄又轉(zhuǎn)到光源與光電元件之間，光電元件再發(fā)出一個(gè)脈沖，使計(jì)算機(jī)停止采樣，此時(shí)第一圈測點(diǎn)采樣完畢。人工旋轉(zhuǎn)橫向?qū)к壥州?，使刀架迴轉(zhuǎn)中心移動(dòng)l2距離，即R2＝R1-l2，然后等待光電開關(guān)再發(fā)出一個(gè)脈沖使計(jì)算機(jī)開始第二圈采樣，同樣刀架再移動(dòng)l2距離，再進(jìn)行第三圈采樣，直到把整個(gè)表面測完為止，測量點(diǎn)如圖6所示分布。④測量數(shù)據(jù)經(jīng)過直流放大器、A/D轉(zhuǎn)換器輸入微處理機(jī)，用數(shù)據(jù)處理的方法消除工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差與刀架沿徑向移動(dòng)時(shí)的直線性誤差，能迅速得到工件的真實(shí)平面度值，且能把工作的表面形狀給出。定時(shí)采樣程序框圖及平面度計(jì)算程序框圖如圖7、圖8所示，圖7中L為定時(shí)循環(huán)次數(shù);I為測量圈數(shù);G為兩次采樣之間循環(huán)次數(shù)(即相當(dāng)于兩次采樣之間間隔時(shí)間)，CH12為光電信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)通道號(hào);CH13、CH4、CH6、CH14、CH5為5個(gè)測頭輸出信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)通道號(hào);J為每圈測量點(diǎn)數(shù);I0為予置的總的測量圈數(shù);K、P、P0、I0為給定參數(shù)。圖8中M、N為測量點(diǎn)數(shù);ε1ε2設(shè)定搜索精度指標(biāo);Z(I，J)為被測點(diǎn)的高低值;a、b為搜索區(qū)間;fafb為特定變量。該實(shí)施例的測量精度可小于2μM，重復(fù)精度0.6μM。
權(quán)利要求
1.一種平面度誤差分離測量方法，其特征在于采用五個(gè)測頭同時(shí)測量，所說的五個(gè)測頭按兩個(gè)方向排列，同一方向相鄰兩測頭之間距離相等并且等于該方向上的測量間距，以保證各測頭的測量點(diǎn)重合。
2.一種按權(quán)利要求1所述方法的時(shí)實(shí)平面度測量儀，其特征在于包括五個(gè)測頭，固定測頭的夾具[9]，直流放大器[18]，A/D轉(zhuǎn)換器[19]，光電開關(guān)[21]，放大整形電路[16]，微處理機(jī)[20]所組成。
3.如權(quán)利要求1所述的平面度誤差分離測量方法，其特征在于所說的五個(gè)測頭是按同半徑與同圓周二個(gè)方向分布，其中一測頭位于兩個(gè)方向交點(diǎn)上。
4.如權(quán)利要求1所述的平面度誤差分離測量方法，其特征在于所說的五個(gè)測頭是按縱向與橫向二個(gè)方向分布，其中一測點(diǎn)位于兩個(gè)方向的交點(diǎn)上。
5.一種直線度誤差分離測量方法，其特征在于采用三個(gè)測頭同時(shí)測量，所說的三個(gè)測頭等距分布在一條直線上，且測量間距與測頭間距相等。
全文摘要
一種平面度誤差分離法及實(shí)時(shí)測量儀，屬于機(jī)械量形位誤差測量領(lǐng)域。本發(fā)明為高精度大平面平面度測量提供一種有效的、可行的新方法。這種方法用五個(gè)傳感器按特殊分布，可以有效的分離出工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面的誤差及支承測頭導(dǎo)軌形位誤差及彎曲變形誤差，所測數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)用數(shù)據(jù)處理方法能迅速得到工件的平面度值，且能把工件的表面形狀給出，從而大大提高了測量精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)實(shí)時(shí)測量。
文檔編號(hào)G01B21/30GK1042232SQ88107139
公開日1990年5月16日 申請日期1988年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月27日
發(fā)明者劉興占, 何真, 梁晉文 申請人:清華大學(xué)