CN108061532A - 一种基于同步运动式圆度误差分离装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于同步运动式圆度误差分离装置及方法属于精密仪器制造及测量技术领域；该方法主要在超精密圆度测量仪中引入一个可以与超精密圆度误差测量仪回转工作台同向旋转的误差分离转台，通过三次测量含有不同系统分量的圆周信号，分离出被测件的圆度误差、超精密圆度测量仪器的回转工作台径向回转误差和误差分离转台的径向回转误差中的任意一种，与应用最广泛的多步法相比，此方法完全在空域中解决问题，不涉及傅里叶变换，完全避免了谐波抑制，且测量与计算过程简单，无模型误差，为超精密级圆度误差分离提供了一种新的思路。
Description
技术领域
本发明一种基于同步运动式圆度误差分离装置及方法属于精密仪器制造及测量技术领域。
背景技术
近年来，超精密加工领域的不断发展，直接导致了很多加工设备加工的精度没有相对应的检测设备，从而无法进一步提高加工精度。以圆度为例，现代天文望远镜的圆度误差已达到±5nm，航天飞船上的陀螺仪圆度要求小于10nm，高精度密度基准的硅晶球任意截面圆度误差已达到10nm以内，而现在最高精度的圆度测量仪的仪器主轴径向回转误差也在±10nm左右，无法测量这些超高精度零件的圆度误差。仅靠传统工艺等硬技术已经很难提高圆度测量仪器的精度，必须采用误差分离技术(Error Separation Techniques，EST)，来分离出圆度测量仪自身的系统误差。
一般来讲，现在所使用的圆度误差分离方法主要分为两种大方法，多转位法与多测头法，多转位法是通过增加一个误差分离转台，使误差分离转台带动被测件的多个转位测量来实现误差分离，多测头法是通过增加传感器的个数和布局来实现圆度误差分离。
反向法属于多转位法，但在测量过程中需要停止测量仪器的测量状态，同时将被测件与传感器的方向变换180度，这其中需要重新调整被测件与圆度测量装置的同心，增加了人的干预，也无法保证的确变换了180度，只能靠人眼估计，不利于自动化测量。
而多转位法中使用最广泛的多步法，因为存在谐波抑制问题的硬伤，在此基础上发展起来的全谐波法，多重多步法，全都是以时间换空间，增加测量的转位数，加长测量时间，引入更多的测量误差，如传感器存在线性漂移，电气噪声等，这些都不利于高速高效的测量。
专利“单转位圆度误差分离方法”中的单转位法是在多转位法的基础上进行进一步的简化，其本质与多步法是一致的，得到的结果也与多转位法保持一致。上述几种方法均是以傅里叶变换为模板，对采集到的信号进行分析处理，但容易有奇异点，对奇异点附近的值有无限放大的影响，并未完全解决谐波抑制的问题，只能在一定范围内无谐波抑制。
多测头法是通过增加传感器的个数(两个或两个以上的传感器法称为多测头法)，并合理布局来实现圆度误差分离。两点法是两个测头成180度放置，三测头法是将三个传感器呈一定角度放置，四测头法也仅仅是在三测头上增加了一个传感器，混合法是将三测头法中的一个位移传感器换成角度传感器，正交混合法是将一个位移传感器一个角度传感器呈90度放置，这几种方法都是将采样得到的几路信号进行傅里叶变换和反变换，得到圆度测量仪的轴系误差和被测件的圆度误差。但缺点也是很明显的，如传感器个数的增加会导致各个传感器的特性不一致，传感器的布局不在同一个测量截面上，传递函数存在零点等问题。
以上方法存在的问题是，1、将信号用傅里叶变换到频域中进行误差分离，得到分离信号的频谱信息，再进行傅里叶反变换，最终得到分离后的信号，计算复杂，有截断和舍入误差；2、由于使用了傅里叶变换，使分离信号存在谐波抑制的问题，模型存在原理误差，相对应的改善方法只能解决一定范围内无谐波抑制，不能实现全波段无谐波抑制；3、不能同时分离出被测件的圆度误差、超精密圆度测量仪器的旋转轴径向回转误差和误差分离转台的径向回转误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于同步运动式圆度误差分离装置及方法，该装置及方法不仅只在空域进行分离，不需要傅里叶变换，计算简单，而且全波段内无谐波抑制，此外还具有同时分离出三个误差(被测件的圆度误差、超精密圆度测量仪器回转工作台的径向回转误差和误差分离转台的径向回转误差)的技术优势。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于同步运动式圆度误差分离装置，包括横向导轨、位移传感器、误差分离转台、回转工作台和竖直导轨，位移传感器在横向导轨上水平向移动，横向导轨带动位移传感器沿竖直导轨上下运动，误差分离转台平放在回转工作台上，误差分离转台与被测件一起回转，回转工作台带动误差分离转台与被测件同轴转动。
上述基于同步运动式圆度误差分离装置，所述的回转工作台为液压、密珠或气浮形式。
上述基于同步运动式圆度误差分离装置，所述的误差分离转台能够与回转工作台同步连续旋转。
一种在上述基于同步运动式圆度误差分离装置上实现的基于同步运动式圆度误差分离方法，包括以下步骤：
步骤a、将误差分离转台放置在回转工作台上，粗调误差分离转台与回转工作台同心；
步骤b、确定被测件的待测截面，沿竖直导轨调整横向导轨及位移传感器的高度，使被测件的待测截面与位移传感器测头在同一截面上，调整被测件，使被测件的待测截面与误差分离转台同心；
步骤c、将误差分离转台与被测件视为一个整体，调整误差分离转台及其上的被测件与超精密圆度测量仪的回转工作台同心，此步骤主要调整误差分离转台，被测件在误差分离转台上的位置保持不变；
步骤d、将位移传感器沿横向导轨移动，使位移传感器与被测件可靠性接触，调整位移传感器使位移传感器测力在线性度最好的一段，启动超精密圆度测量仪回转工作台的旋转模式，等待超精密圆度测量仪的回转工作台旋转平稳后，位移传感器进行采样测量，位移传感器拾取的信号为包括回转工作台的径向回转误差S(θ)与被测件待测截面的圆度误差R(θ)的综合误差A(θ)，其中n＝0，1，...，N-1；
A(θ)＝S(θ)+R(θ) (1)
步骤e、停止超精密圆度测量仪的回转工作台转动，待停稳后，启动误差分离转台的旋转模式，误差分离转台以与步骤d中超精密圆度测量仪回转工作台同样的转速进行旋转，旋转平稳后，位移传感器进行采样测量，位移传感器拾取的信号为包括被测件待测截面的圆度误差R(θ)与误差分离转台的径向回转误差E(θ)的综合误差B(θ)，其中n＝0，1，...，N-1，此步骤中采样的起始位置与步骤d中的起始位置保持一致；
B(θ)＝R(θ)+E(θ) (2)
步骤f、启动超精密圆度测量仪回转工作台的旋转模式并保持误差分离转台的旋转模式开启，待两轴的旋转平稳且速度保持与步骤d中的旋转速度保持一致后，位移传感器进行采样测量，位移传感器拾取的信号为包括仪器回转工作台的径向回转误差S(θ)与被误差分离转台的径向回转误差E(θ)的综合误差C(θ)，其中n＝0，1，...，N-1，此步骤中必须保证误差分离转台与回转工作台的相对位置与步骤d中一致；
C(θ)＝S(θ)+E(θ) (3)
步骤g、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出被测件指定截面的圆度误差信号，
其中n＝0，1，...，N-1；
步骤h、将步骤g中分离出的圆度误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到被测件指定截面的圆度；
步骤i、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出超精密圆度测量仪的回转工作台径向回转误差信号，
其中n＝0，1，...，N-1；
步骤j、将步骤i中分离出的超精密圆度测量仪的回转工作台径向回转误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到超精密圆度测量仪的回转工作台径向回转误差圆度；
步骤k、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出误差分离转台的径向回转误差信号，
其中n＝0，1，...，N-1；
步骤l、将步骤k中分离出的误差分离转台的径向回转误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到误差分离转台的径向回转误差圆度。
有益效果：
第一、所有采集到的信号只在空间域进行处理，完全不涉及用傅里叶变换，由于省略了傅立叶变换的步骤，因此具有计算步骤少，计算简单，检测速度快的技术优势。
第二、由于回避傅立叶变换，因此也就不会出现傅立叶变换特有的截断和舍入误差，所以具有没有信号丢失，计算准确的技术优势。
第三、由于不涉及傅里叶变换，分离信号完全不存在谐波抑制的问题，因此模型原理无误差，能够实现全波段无谐波抑制，同样具有计算准确的技术优势。
第四、本发明方法能够根据需要，同时分离出被测件的圆度误差、超精密圆度测量仪器回转工作台的径向回转误差和误差分离转台的径向回转误差，因此具有一台仪器检测多个参数的多功能技术优势。
第五、由于本发明方法能够直接分离出误差分离转台的径向回转误差，因此还具有自标定的功能。
附图说明
图1是本发明基于同步运动式圆度误差分离装置的结构示意图。
图中：1横向导轨、2位移传感器、3被测件，4误差分离转台、5回转工作台，6竖直导轨。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
具体实施方式一
以下实施例是本发明一种基于同步运动式圆度误差分离装置实施例。
本实施例的一种基于同步运动式圆度误差分离装置，结构示意图如图1所示。该基于同步运动式圆度误差分离装置，包括横向导轨1、位移传感器2、误差分离转台4、回转工作台5和竖直导轨6，位移传感器2在横向导轨1上水平向移动，横向导轨1带动位移传感器2沿竖直导轨6上下运动，误差分离转台4平放在回转工作台5上，误差分离转台4与被测件3一起回转，回转工作台5带动误差分离转台4与被测件3同轴转动。
所述的回转工作台5为液压、密珠或气浮形式。在本实施例中，回转工作台5为气浮式。
所述的误差分离转台4能够与回转工作台5同步连续旋转。
具体实施方式二
以下实施例是本发明一种基于同步运动式圆度误差分离方法实施例。
本发明一种基于同步运动式圆度误差分离方法，包括以下步骤：
步骤a、将误差分离转台4放置在回转工作台5上，粗调误差分离转台4与回转工作台5同心；
步骤b、确定被测件3的待测截面，沿竖直导轨6调整横向导轨1及位移传感器2的高度，使被测件3的待测截面与位移传感器2测头在同一截面上，调整被测件3，使被测件3的待测截面与误差分离转台4同心；
步骤c、将误差分离转台4与被测件3视为一个整体，调整误差分离转台4及其上的被测件3与超精密圆度测量仪的回转工作台5同心，此步骤主要调整误差分离转台4，被测件3在误差分离转台4上的位置保持不变；
步骤d、将位移传感器2沿横向导轨1移动，使位移传感器2与被测件3可靠性接触，调整位移传感器2使位移传感器2测力在线性度最好的一段，启动超精密圆度测量仪回转工作台5的旋转模式，等待超精密圆度测量仪的回转工作台5旋转平稳后，位移传感器2进行采样测量，位移传感器2拾取的信号为包括回转工作台5的径向回转误差S(θ)与被测件3待测截面的圆度误差R(θ)的综合误差A(θ)，其中n＝0，1，...，N-1；
A(θ)＝S(θ)+R(θ) (1)
步骤e、停止超精密圆度测量仪的回转工作台5转动，待停稳后，启动误差分离转台4的旋转模式，误差分离转台4以与步骤d中超精密圆度测量仪回转工作台5同样的转速进行旋转，旋转平稳后，位移传感器2进行采样测量，位移传感器2拾取的信号为包括被测件3待测截面的圆度误差R(θ)与误差分离转台4的径向回转误差E(θ)的综合误差B(θ)，其中n＝0，1，...，N-1，此步骤中采样的起始位置与步骤d中的起始位置保持一致；
B(θ)＝R(θ)+E(θ) (2)
步骤f、启动超精密圆度测量仪回转工作台5的旋转模式并保持误差分离转台4的旋转模式开启，待两轴的旋转平稳且速度保持与步骤d中的旋转速度保持一致后，位移传感器2进行采样测量，位移传感器2拾取的信号为包括仪器回转工作台5的径向回转误差S(θ)与被误差分离转台4的径向回转误差E(θ)的综合误差C(θ)，其中n＝0，1，...，N-1，此步骤中必须保证误差分离转台4与回转工作台5的相对位置与步骤d中一致；
C(θ)＝S(θ)+E(θ) (3)
步骤g、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出被测件3指定截面的圆度误差信号，
其中n＝0，1，...，N-1；
步骤h、将步骤g中分离出的圆度误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到被测件3指定截面的圆度；
步骤i、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出超精密圆度测量仪的回转工作台5径向回转误差信号，
其中n＝0，1，...，N-1；
步骤j、将步骤i中分离出的超精密圆度测量仪的回转工作台5径向回转误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到超精密圆度测量仪的回转工作台5径向回转误差圆度；
步骤k、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出误差分离转台4的径向回转误差信号，
其中n＝0，1，...，N-1；
步骤l、将步骤k中分离出的误差分离转台4的径向回转误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到误差分离转台4的径向回转误差圆度。
Claims (4)
1.一种基于同步运动式圆度误差分离装置，其特征在于，包括横向导轨(1)、位移传感器(2)、误差分离转台(4)、回转工作台(5)和竖直导轨(6)，位移传感器(2)在横向导轨(1)上水平向移动，横向导轨(1)带动位移传感器(2)沿竖直导轨(6)上下运动，误差分离转台(4)平放在回转工作台(5)上，误差分离转台(4)与被测件(3)一起回转，回转工作台(5)带动误差分离转台(4)与被测件(3)同轴转动。
2.根据权利要求1所述基于同步运动式圆度误差分离装置，其特征在于，所述的回转工作台(5)为液压、密珠或气浮形式。
3.根据权利要求1所述基于同步运动式圆度误差分离装置，其特征在于，所述的误差分离转台(4)能够与回转工作台(5)同步连续旋转。
4.一种在权利要求1所述在基于同步运动式圆度误差分离装置上实现的基于同步运动式圆度误差分离方法，包括以下步骤：
步骤a、将误差分离转台(4)放置在回转工作台(5)上，粗调误差分离转台(4)与回转工作台(5)同心；
步骤b、确定被测件(3)的待测截面，沿竖直导轨(6)调整横向导轨(1)及位移传感器(2)的高度，使被测件(3)的待测截面与位移传感器(2)测头在同一截面上，调整被测件(3)，使被测件(3)的待测截面与误差分离转台(4)同心；
步骤c、将误差分离转台(4)与被测件(3)视为一个整体，调整误差分离转台(4)及其上的被测件(3)与超精密圆度测量仪的回转工作台(5)同心，此步骤主要调整误差分离转台(4)，被测件(3)在误差分离转台(4)上的位置保持不变；
步骤d、将位移传感器(2)沿横向导轨(1)移动，使位移传感器(2)与被测件(3)可靠性接触，调整位移传感器(2)使位移传感器(2)测力在线性区，启动超精密圆度测量仪回转工作台(5)的旋转模式，等待超精密圆度测量仪的回转工作台(5)旋转平稳后，位移传感器(2)进行采样测量，位移传感器(2)拾取的信号为包括回转工作台(5)的径向回转误差S(θ)与被测件(3)待测截面的圆度误差R(θ)的综合误差A(θ)，其中n＝0，1，...，N-1；
A(θ)＝S(θ)+R(θ) (1)
步骤e、停止超精密圆度测量仪的回转工作台(5)转动，待停稳后，启动误差分离转台(4)的旋转模式，误差分离转台(4)以与步骤d中超精密圆度测量仪回转工作台(5)同样的转速进行旋转，旋转平稳后，位移传感器(2)进行采样测量，位移传感器(2)拾取的信号为包括被测件(3)待测截面的圆度误差R(θ)与误差分离转台(4)的径向回转误差E(θ)的综合误差B(θ)，其中n＝0，1，...，N-1，此步骤中采样的起始位置与步骤d中的起始位置保持一致；
B(θ)＝R(θ)+E(θ) (2)
步骤f、启动超精密圆度测量仪回转工作台(5)的旋转模式并保持误差分离转台(4)的旋转模式开启，待两轴的旋转平稳且速度保持与步骤d中的旋转速度保持一致后，位移传感器(2)进行采样测量，位移传感器(2)拾取的信号为包括仪器回转工作台(5)的径向回转误差S(θ)与被误差分离转台(4)的径向回转误差E(θ)的综合误差C(θ)，其中n＝0，1，...，N-1，此步骤中必须保证误差分离转台(4)与回转工作台(5)的相对位置与步骤d中一致；
C(θ)＝S(θ)+E(θ) (3)
步骤g、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出被测件(3)指定截面的圆度误差信号，
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其中n＝0，1，...，N-1；
步骤h、将步骤g中分离出的圆度误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到被测件(3)指定截面的圆度；
步骤i、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出超精密圆度测量仪的回转工作台(5)径向回转误差信号，
<mrow>
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<mrow>
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其中n＝0，1，...，N-1；
步骤j、将步骤i中分离出的超精密圆度测量仪的回转工作台(5)径向回转误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到超精密圆度测量仪的回转工作台(5)径向回转误差圆度
步骤k、将步骤d、步骤e、步骤f几路综合误差信号进行数学运算，即分离出误差分离转台(4)的径向回转误差信号，
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其中n＝0，1，...，N-1；
步骤l、将步骤k中分离出的误差分离转台(4)的径向回转误差信号输入到圆度误差评定系统中进行圆度评定，按使用要求选择圆度评定方法、滤波函数与截止频率，得到误差分离转台(4)的径向回转误差圆度。
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