CN1017554B - 平面度误差分离法及实时测量仪 - Google Patents

Abstract

一种平面度误差分离法及实时测量仪，属于机械量形位误差测量领域。本发明为高精度大平面平面度测量提供一种有效的、可行的新方法。这种方法用五个传感器按特殊分布，可以有效的分离出工作台运动平面的误差及支承测头导轨形位误差及弯曲变形误差，所测数据直接转入计算机用数据处理方法能迅速得到工件的平面度值，且能把工件的表面形状给出，从而大大提高了测量精度，同时实现了自动实时测量。

Description

本发明属于机械量形位误差测量领域。

目前对大尺寸工件的平面度一般利用机床加工精度来保证。由于受到机床本身精度的限制，很难达到很高精度。利用准直仪，水平仪等传统方法对大平面，尤其直径在Φ3M以上的特大平面的平面度测量极为困难。例如哈尔滨电机厂研制的Φ3.9M镜板平面度检查仪就是利用水平仪的测量方法，检查仪结构如图1所示由支架[1]、扭簧表[2]、合象水平仪[3]、平尺[4]、支承圆柱[5]、拎手[6]组成。此种方法要求避免平尺、检查仪有局部温度变化造成变形，搬移或测量校对时必须戴手套，在工作地点等温后再进行调试。合象水平仪零位必须仔细校对，要求支架转180°零位变化极微小。测量方法是在工作直径方向上用合象的水平仪的水准位置判断工件的凸心或凹心，扭簧表可以读出径向直线度凸凹程度。此方法测量时间长、精度低、对测量工具，现场环境要求高。不能进行实时测量。

为解决上述测量方法的不足之处，本发明提出一种新的测量方法，可在工件加工现场进行实时测量，并能消除因加工运动状态，机床本身精度所带来的误差，使测量结果达到较高的精度。

本发明设计出一种平面度误差分离测量方法，其特征在于采用五个测头同时测量，所说的五个测头按两个方向排列，同一方向相邻两测头之间距离相等，并且等于该方向上的测量间距，以保证各测头的测量点重合。所测数据经过数学方法处理可消除误差得到真实的平面度值。根据这种测量方法，本发明提供出一种平面度时实测量仪，其特征在于包括按上述分布的五测头及用于固定五测头的夹具[9]、直流放大器[18]、A/D转换器[19]、光电开关[21]、放大整形电路[16]、微处理机[20]等部件组成。测头测得数据经过A/D转换器输入微处理机，按予先编制的消除误差程序及平面度计算程序进行处理后实时显示出结果。

本发明所说的测量方法及原理以在立车上加工圆形平面的平面度测量为例说 明如下：附图2为在立车上测量被加工零件表面平面度的装置简图，当工件[10]表面在立车上磨削完后，取下刀架[7]上的磨具，装上测头夹具[9]。工作台[11]带着工件迴转便可测量一周，刀架[7]由横梁[8]导轨带动作径向进给，同时工作台[11]继续迴转，这样就可将整个平面测量完。在测量过程中，刀架移动会使横梁变形而使测头下降而带来测量误差，另外刀架在横梁导轨面上移动，其导轨面上的直线性也会带来一定的测量误差。工作台迴转时由于迴转运动付的误差等使工作台运动平面不在同一平面，也将带来测量误差。这些误差依靠图3所示的五个测头予以有效的消除。图3中的五测头是按同半径与同圆周二个方向分布，A、B、C、D、E表示五测头位置，其中测头B位于两个方向交点上。圆周R1上A、B、C点之间距离为l₁，B、D、E点之间距离为l₂。刀架运动误差及导轨弯曲变形误差通过B、D、E三个测头分离出来并消除，工作台运动平面性误差由A、B、C和B、D、E测头分离及消除。下面以刀架运动误差及导轨弯曲变形，误差的分离及消除，建立误差分离方法的数学模型。设f（x_i）为工件表面被测量点的直线度误差;g（x_i）为测量架运动时偏离理想运动方向引起的误差;h（x_i）为测量架在移动时，由于转动而引进的附加的测头读数误差。

设开始测量时，f（x₁）＝0 g（x₁）＝0 h（x₁）＝0

三个测头读数分别为B（x₁），D（x₁），E（x₁）

则有：

B（x₁）＝f（x₁）-g（x₁）

D（x₁）＝f（x₂）-g（x₁） （1）

E（x₁）＝f（x₃）-g（x₁）

移动l距离后，则有：

B（x₂）＝f（x₂）-g（x₂）+h（x₂）

D（x₂）＝f（x₃）-g（x₂） （2）

E（x₂）＝f（x₄）-g（x₂）-h（x₂）

设测量架在x_i处时，三个测头读数分别为B（x_i），D（x_i），E（x_i），则有：

B（x_i）＝f（x_i）-g（x_i）+h（x_i）

D（x_i）＝f（x_i+l）-g（x_i） （3）

E（x_i）＝f（x_i+2l）-g（x_i）-h（x_i）

则

B（x_i）-2D（x_i）+E（x_i）＝f（x_i+2l）-2f（x_i+l）+f（x_i） （4）

设S（x_i）＝B（x_i）-2D（x_i）+E（x_i）

则有：

S（x_i）＝f（x_i）-2f（x_i+l）+f（x_i+2l） （5）

对于有限的测量点：

S（x_n）＝f（x_n）-2f（x_n+l）+f（x_n+2l） （6）

（n＝0，1，2，……N-1）

其中，N为测量点数。

L为测量全长。

$\mathrm{j\; =}\sqrt{\mathrm{-1}}$

∵L＝（N-1）l

${\mathrm{\therefore \; Fs(n)\; =\; F}}_f\mathrm{(n)\; -\; 2F}{}_f\mathrm{(n)\; e}{}^{j\frac{\mathrm{2\; \pi }}{N}n}{\mathrm{+\; F}}_f\mathrm{(n)\; e}{}^{j\frac{\mathrm{2\; \pi }}{N}·\; 2\; n}$

${\mathrm{F\; s(\; n)\; =\; F}}_f\mathrm{(n)\; ［\; 1\; -\; 2e}{}^{j\frac{\mathrm{2\; \pi \; n}}{N}}\mathrm{+\; e}{}^{j\frac{\mathrm{4\; \pi \; n}}{N}}］$

${\mathrm{设\; H(n)\; =\; 1\; -\; 2e}}^{j\frac{\mathrm{2\; \pi \; n}}{N}}\mathrm{+\; e}{}^{j\frac{\mathrm{4\; \pi \; n}}{N}}$

则：F_f（n）＝Fs（n）/H（n） （10）

由离散付氏变换频谱计算公式：

$\mathrm{F\; s\; (n)\; =}\underset{\mathrm{i\; =\; 0}}{\overset{\mathrm{N\; -\; 1}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{s\; (X}}_i\mathrm{)e}{}^{\mathrm{-\; j}\frac{\mathrm{2\; \pi \; i\; n}}{N}}$

由公式（9）和（11）求Fs（n）、H（n）后，即可确定Ff（n），故得：

${\mathrm{f\; (X}}_n\mathrm{)\; =\; F}{}^{\mathrm{-1}}{\mathrm{｛\; F}}_f\mathrm{(n)\; ｝\; =}\frac{1}{N}\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{\mathrm{N\; -\; 1}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_f\mathrm{(k)\; e}{}^{j\frac{\mathrm{2\; \pi }}{N}·\; n\; ·\; k}\mathrm{(12)}$

由公式（12）不难看出，刀架移动误差及刀架转动引起的测量误差被消除了。用同样的方法处理，可以消除工作台运动平面的误差。

这种方法也适用对矩形平面平面度测量，其测头按图4分布，即按纵向与横向二个方向分布，A、B、C、D、E为五测点的位置，A、B、C之间距离为l₁，A、D、E之间距离为l₂，其中A测点位于该两个方向的交点上。

利用此方法还可以作为直线度测量，只需三个测头，等距分布在一条直线上，且测量间距与测头间距相等。

本发明所述方法特别适用大平面及特大平面的平面度测量，由于有效地消除了工作台运动平面误差及支承测头的导轨运动误差，从而大大提高了测量精度，并且稳定可靠。配以微处理机进行数据处理，可实现实时自动测量。

附图简要说明：

图1为已有技术平面度检查仪结构示意图

图2为本发明平面度测量仪使用示意图

图3为本发明五测头分布图（一）

图4为本发明五测头分布图（二）

图5为本发明实施例总体方案图

图6为本发明实施例测量点分布示意图

图7为本发明采用的定时采样程序框图

图8为本发明采用的平面度计算程序框图

其中：[1]支架;[2]0.001扭簧表;[3]合象水平仪[4]平尺;[5]支承圆柱;[6]拎手;[7]刀架;[8]横梁;[9]测头夹具;[10]工件;[11]工作台;[12]手轮;[13]光栏;[14]光源;[15]光电工件;[16]放大整形电路;[17]电感测微仪;[18]直流放大器;[19]A/D转换器;[20]微处理机;[21]光电开关;

本发明的一种实施例是为测量几十万千瓦水轮发电机组的Φ6M镜板而设计的测量仪。图6为总体结构框图，其中测头选用接触式电感传感器，五测头固定在一个夹具[9]上，测头分步如图3所示，其中R1为2950mm，l₁为140mm，l₂为110mm，使用状态如图2所示，夹具[9]固定在立车的刀架[7]上，可随刀架沿横梁[8]水平方向移动。被测工件[10]放在立车的圆工作台[11]上，可与工作台沿中心轴旋转。工件外侧固定一光栏[13]，光栏上方装有一光源[14]，光栏下方装有一光电元件[15]，光栏、光源、光电元件组成光电开关[21]，光电开关通过放大整形电路[22]与A/D转换器[19]及微处理机[20]连接。电感测头与电感测微仪[17]连接经直流放大器[18]、A/D转换器[19]与微处理机[20]连接。测量步骤如下：①移动刀架使测头B的中心线到工作台迴转中心的距离等于R1。②使刀架下降，让测头与工件表面接触，微调各测头使读数为零，并与夹具锁紧，保持刀架高度在整个测量中不变。③启动微处理机，并让工作台以ω速旋转，当光栏转到光源与光电元件之间，截断光时，光电元件发出脉冲，使微处理机开始采样，工作台旋转一周时，光栏又转到光源与光电元件之间，光电元件再发出一个脉冲，使计算机停止采样，此时第一圈测点采样完毕。人工旋转横向导轨手轮，使刀架迴转中心移动l₂距离，即R₂＝R₁-l₂，然后等待光电开关再发出一个脉冲使计算机开始第二圈采样，同样刀架再移动l₂距离，再进行第三圈采样，直到把整个表面测完为止，测量点如图6所示分布。④测量数据经过直流放大器、A/D转换器输入微处理机，用数据处理的方法消除工作台的运动误差与刀架沿径向移动时的直线性误差，能迅速得到工件的真实平面度值，且能把工作的表面形状给出。定时采样程序框图及平面度计算程序框图如图7、图8所示，图7中：L为定时循环次数;I为测量圈数;G为两次采样之间循环次数（即相当于两次采样之间间隔时间），CH12为光电信号进入计算机通道号;CH13、CH4、CH6、CH14、CH5为5个测头输出信号进入计算机通道号;J为每圈测量点数;Iθ为予置的总的测量圈数;K、P、Pθ、Iθ为给定参数。图8中：M、N为测量点数;ε1ε2设定搜索精度指标;Z （I，J）为被测点的高低值;a、b为搜索区间;fafb为特定变量。该实施例的测量精度可小于2μM，重复精度0.6μM。

Claims (4)

1、一种平面度误差分离测量方法，采用五个测头同时测量，其特征在于，所说的五个测头按两个方向排列，同一方向相邻两个测头之间距离相等并且等于该方向上测量间距，以保证各测头的测量点重合，所说的测头测得数据经过A/D转换器输入微处理机，按予先编制的消除误差程序及平面度计算程序进行处理后实时显示出结果，测量步骤如下：

(1)使各测头与被测元件表面接触，微调各测头使读数为零；

(2)启动微处理机，并使所说的被测工件按测头排列的一个方向运动；

(3)使光电元件发出一个脉冲，使计算机按测量间距采样；

(4)所说工件运动一个周期后，所说光电工件再发出一个脉冲，使计算机停止采样；

(5)使所说各测头按排列的另一方向移动一个间距，再按所说步骤3、4采集第二组数据，直到所说工件整个表面采样完成。

2、如权利要求1所述的平面度误差分离测量方法，其特征在于所说的五个测头是按同半径与同圆周二个方向分布，其中在圆周方向分布的测头之间的距离为l₁，在半径方向上的测头之间的距离为l₂;所说测头中的一个位于两个方向的交点上，并置于与被测工件旋转中心相距R₁处，所说的五个测头同时测量步骤如下：

（1）使各测头与被测元件表面接触，微调各测头使读数为零;

（2）启动微处理机，并使所说的被测工件绕其旋转中心转动;

（3）使光电元件发出一个脉冲，使计算机按测量间距l₁采样;

（4）所说工件转动一圈后，所说光电工件再发出一个脉冲，使计算机停止采样;

（5）使所说各测头按所说被测工件径向移动l₂距离，再按所说步骤3、4采集第二圈数据，直到所说工件整个表面采样完成。

3、如权利要求1所述的平面度误差分离测量方法，其特征在于所说的五个测头是按纵向与横向二个方向分布，其中一测点位于两个方向的交点上。

4、一种如权利要求1所述方法的实时平面度测量仪，包括五个测头及用于固定五测头的夹具、直流放大器、A/D转换器、光电开关、放大整形电路、微处理机等部件组成，其特征在于所说的固定在一个夹具上的五个测头，按两个方向排列，同一方向相邻两测头之间距离相等并且等于该方向上的测量间距，所说的光电开关由光栏、光源及光电元件组成，该光栏固定在被测工件外侧，该光源与光电元件分别置于光栏两侧，所说的各测头为接触式电感传感器，该传感器与电感测微仪连接，所测数据经直流放大器、A/D转换器输入微处理机，所说光电开关对测头采样进行控制并通过所说的放大整形电路与所说的A/D转换器及所说的微处理机连接。

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