CN112069612A - 一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法。首先，建立了齿轮测量中心的坐标系，并根据该坐标系分别构建了直线轴定位误差和回转轴定位误差模型、测头位姿误差模型、工件位姿误差模型和工件安装误差模型；然后，将误差模型映射至虚拟齿轮测量中心(VGMC)，并通过对高精度的虚拟工件测量模型实施虚拟测量，经过采样获取实际测量点坐标，以评价算法得到一系列被测量的值Yi＝(y1，…，ym)；最后，使用蒙特卡洛法对几何误差的误差分布进行多次模拟，以获得一系列Y值(Y1，…，YN)，并通过统计分析获取测量任务的测量不确定度U(y)，最终得到测量报告y±U(y)。该方法具有简单、通用性好的优势，并且建立的误差模型更接近实际，评定结果更为准确。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮测量领域，具体涉及一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法。
背景技术
齿轮测量中心是齿轮、刀具等回转体零件测量的主要测量仪器，具有测量功能丰富、测量精度高、测量效率高等优点，广泛应用于机械制造、汽车、船舶、航空航天等领域。《测量不确定度表示指南》(GUM)指出，完整的测量结果必须包含测量不确定度。由于齿轮测量中心结构的复杂性和功能的多样性，其测量结果受到机械结构的几何误差、测头探测误差、工件的安装误差等多种因素的影响，很难对齿轮测量中心测量任务的测量不确定度进行评定。目前商用的齿轮测量中心在应用时，通常只给出被测参量的估计值，不能直接获取估计值的测量不确定度，因此如何准确、方便、可靠地评定齿轮测量面向测量任务的测量不确定度是齿轮测量领域的难点问题。
目前，采用计算机仿真法进行测量不确定度评定研究是热点，而核心是建立测量模型和误差传递模型。德国联邦物理技术研究院(PTB)提出的虚拟坐标测量机(VCMM)、布鲁内尔大学提出的高级VCMM(AVCMM)直接针对实际测量获得的工件被测表面数据，利用几何误差模型和测头探测误差模型评估测量结果的测量不确定度。该模型未对实际测量过程进行建模，将所获得的一次测量数据作为理论数据，存在一定的偏差。日本京都大学提出的虚拟齿轮测量仪(VGC)的测量过程模型为齿轮被测曲面和测球表面的理论接触方程，并建立了几何误差、工件安装偏心误差、传感器误差的误差模型，评估了齿轮齿廓和齿向的测量不确定度。该模型针对不同类型的被测工件需要建立不同的理论接触方程，不具备通用性。石照耀等人提出了基于蒙特卡洛的CMM评定齿轮齿廓的测量不确定度评定方法，针对齿轮齿廓的理论坐标点进行叠加CMM几何误差，基于蒙特卡洛产生大量含误差的坐标点，通过齿廓偏差计算，统计获得齿廓测量不确定度。
上述方法建立的不确定度模型未对齿轮测量中心实际测量中的数据采集过程进行建模，其误差传递模型与实际情况的逼近程度无法评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法，解决齿轮测量中心的特定测量任务的测量不确定度评定问题。
本发明所采用的技术方案为：
一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法，包括如下步骤：
S1:建立齿轮测量中心的机器坐标系、各轴运动部件的固定坐标系和运动坐标系、几何误差的测量坐标系；
S2:在S1的基础上，建立齿轮测量中心直线轴定位误差模型和回转轴定位误差模型；
S3:建立测头位姿误差模型；
S4:建立工件位姿误差模型；
S5:建立基于上下顶尖的工件安装误差模型；
S6:将S2至S5建立的误差模型映射至虚拟齿轮测量中心(VGMC)；
S7:基于蒙特卡洛方法建立基于VGMC的测量不确定度评定模型；
S8:建立高精度的虚拟工件测量模型；通过工件的数学模型计算被测表面的离散点，然后将离散点构造成三角面片拓扑结构，生成三角面片模型；
S9:实施虚拟测量过程；将S8建立的被测工件模型导入至VGMC中，输入误差参数，测量软件驱动虚拟测头和虚拟工件的测量运动，通过扫描与碰撞检测算法计算测头触测矢量，通过采样获取实际测量点坐标，并输入至计算机，计算机将实际测量点坐标与理论被测曲面进行对比，并通过评价算法得到一系列被测量的值Yi＝(y1，…，ym)；
S10：重复S9；对几何误差的误差分布进行蒙特卡洛模拟，获得一系列Y值(Y1，…，YN)。
S11：通过对S10的仿真结果进行统计分析获得测量任务的测量不确定度。对S11中对(Y1，…，YN)进行统计计算，计算U(y)，最后得到报告y±U(y)。
进一步的，所述步骤S2中，根据回转轴和直线轴定位误差的作用机理，将直线轴定位误差δx(x)、δy(y)、δz(z)叠加在测头球心位置坐标(xt,yt,zt)上，等效为直线轴光栅示值误差，构建直线轴定位误差模型；回转轴的定位误差，作为回转轴光栅示值误差，叠加到回转轴光栅示值上，等效为回转轴光栅示值误差，构建回转轴定位误差模型。
进一步的，所述步骤S3中，根据多体理论和齐次坐标变换，建立包含直线轴18项几何误差的测头位姿误差模型，将其等效为VGMC中虚拟测头的位姿误差；所述18项几何误差分别为除定位误差外，直线轴的2项线性误差和3项角度误差，X、Y、Z三轴共15项，以及X、Y、Z每两轴之间的3项垂直度误差。
进一步的，所述步骤S4中，根据多体理论和齐次坐标变换建立包含回转轴7项几何误差的工件位姿误差模型，将其等效为VGMC中虚拟工件实际位姿误差；所述7项几何误差分别为除定位误差外，回转轴的2项线性误差和3项角度误差，以及回转轴与X、Y轴之间的2项垂直度误差。
进一步的，所述步骤S6中，将S2至S5建立的误差模型映射至虚拟齿轮测量中心(VGMC)，其中，S2所述的光栅示值误差作用于光栅示值上，S3所述的测头位姿误差叠加于测头位姿上，S2所述的回转轴的转角示值误差作用于回转轴的转角示值上，S4所述的工件位姿误差作用于工件位姿上，参与碰撞检测计算，S5所述的工件安装误差是在虚拟工件装夹时产生的误差，将其叠加到工件的测量模型中，且在虚拟工件装夹时叠加。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
①本发明方法面向测量任务的齿轮测量中心测量不确定度评定方法通用性好，针对不同的测量任务进行测量不确定度评估时，只需改变被测工件模型，相应物理测量软件直接驱动VGMC即可，不必针对不同的测量任务建立不同的测量不确定度评定模型，因此，该评定方法简单、通用性好；
②本发明方法齿轮测量中心的误差模型依据误差的实际作用机理，更逼近实际测量情况，将齿轮测量中心的定位误差与其他几何误差分别建模，并按其实际作用机理分别进行等效，映射至VGMC的相应位置，通过实施虚拟工件的虚拟测量，实现其误差传递过程，该评定方法中的误差模型考虑了测量运动和数据采集过程等，更加逼近实际，相比其他测量不确定度评定方法更为准确。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法，该方法解决了齿轮测量中心的特定测量任务的测量不确定度评定问题，该方法的具体实施步骤如下：
S1:建立齿轮测量中心的机器坐标系、各轴运动部件的固定坐标系和运动坐标系、几何误差的测量坐标系。
S2:在S1的基础上，建立齿轮测量中心直线轴和回转轴定位误差模型。根据其作用机理，直接将直线轴定位误差δx(x)、δy(y)、δz(z)叠加在测头球心位置坐标(xt,yt,zt)上，等效为直线轴光栅示值误差；回转轴的定位误差，作为回转轴光栅示值误差，叠加到回转轴光栅示值上，等效为回转轴光栅示值误差。
S3:建立测头位姿误差模型。除直线轴的定位误差外，直线轴的其他18项几何误差(分别为除定位误差外，直线轴的2项线性误差和3项角度误差，X、Y、Z三轴共15项，以及X、Y、Z每两轴之间的3项垂直度误差，共18项)作为测头位姿误差处理。根据多体理论和齐次变换矩阵建立测头实际位姿矩阵，含有18项几何误差的测头位姿模型。
S4:建立工件位姿误差模型。除回转轴的定位误差外，回转轴的其他7项几何误差(分别为除定位误差外，回转轴的2项线性误差和3项角度误差，以及回转轴与X、Y轴之间的2项垂直度误差)作为工件位姿误差处理，根据多体理论和齐次坐标变换可得工件测量点的实际位姿误差模型。
S5:建立基于上下顶尖的工件安装误差模型。基于上下顶尖的装夹方式，是上下顶尖连线为回转轴线，工件位姿受到上下顶尖存在制造和安装误差等导致工件安装偏心和相对于z轴的倾斜以及回转轴的定位误差εz(θ)、沿三个轴向的线位移误差δx(θ)、δy(θ)、δz(θ)，从而影响测量精度。工件安装误差的参数为工件下顶尖跳动ea、顶尖偏心角度θa、安装倾斜角度α和安装倾斜方位角β。
含有上下顶尖工件安装误差的工件测量点实际位姿变换矩阵为
S6:将各项几何误差映射至虚拟齿轮测量中心(VGMC)的不同位置；其中，光栅示值误差直接作用于光栅示值上，测头位姿误差叠加于测头位姿上，回转轴的转角示值误差作用于回转轴的转角示值上，而其他7项几何误差作用于工件位姿上，参与碰撞检测计算，工件安装误差是在虚拟工件装夹时产生的误差，工件安装误差叠加到工件的测量模型中，且在虚拟工件装夹时叠加。
S7:基于蒙特卡洛方法建立基于VGMC的测量不确定度评定模型，测量模型为M＝f(X1，X2，…，Xn)，M是由输入Xi(包括误差源和采样点)通过函数f得到的一系列仿真测量点。f是测头的运动插补算法，测头与工件之间的扫描与碰撞检测算法等的集合。
S8:建立高精度的虚拟工件测量模型。通过工件的数学模型计算被测表面的离散点，然后将离散点构造成三角面片拓扑结构，生成三角面片模型。
S9:实施虚拟测量过程。将S8建立的被测工件模型导入至VGMC中，输入误差参数，测量软件驱动虚拟测头和虚拟工件的测量运动，通过扫描与碰撞检测算法计算测头触测矢量，通过采样获取实际测量点坐标，并输出至评价软件，评价软件将实际测量点坐标与理论被测曲面进行对比，并通过评价算法得到一系列被测量的值Yi＝(y1，…，ym)。
S10：重复S9。对几何误差的误差分布进行蒙特卡洛模拟，获得一系列Y值(Y1，…，YN)。
S11：通过对S10的仿真结果进行统计分析获得测量任务的测量不确定度。对S11中对(Y1，…，YN)进行统计计算，计算U(y)，最后得到报告y±U(y)。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (5)
1.一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:建立齿轮测量中心的机器坐标系、各轴运动部件的固定坐标系和运动坐标系、几何误差的测量坐标系；
S2:在S1的基础上，建立齿轮测量中心直线轴定位误差模型和回转轴定位误差模型；
S3:建立测头位姿误差模型；
S4:建立工件位姿误差模型；
S5:建立基于上下顶尖的工件安装误差模型；
S6:将S2至S5建立的误差模型映射至虚拟齿轮测量中心(VGMC)；
S7:基于蒙特卡洛方法建立基于VGMC的测量不确定度评定模型；
S8:建立高精度的虚拟工件测量模型；通过工件的数学模型计算被测表面的离散点，然后将离散点构造成三角面片拓扑结构，生成三角面片模型；
S9:实施虚拟测量过程；将S8建立的被测工件模型导入至VGMC中，输入误差参数，测量软件驱动虚拟测头和虚拟工件的测量运动，通过扫描与碰撞检测算法计算测头触测矢量，通过采样获取实际测量点坐标，并输入至计算机，计算机将实际测量点坐标与理论被测曲面进行对比，并通过评价算法得到一系列被测量的值Yi＝(y1，…，ym)；
S10：重复S9；对几何误差的误差分布进行蒙特卡洛模拟，获得一系列Y值(Y1，…，YN)。
S11：通过对S10的仿真结果进行统计分析获得测量任务的测量不确定度。对S11中对(Y1，…，YN)进行统计计算，计算U(y)，最后得到报告y±U(y)。
2.根据权利要求1所述齿轮测量中心测量不确定度评定方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据回转轴和直线轴定位误差的作用机理，将直线轴定位误差δx(x)、δy(y)、δz(z)叠加在测头球心位置坐标(xt,yt,zt)上，等效为直线轴光栅示值误差，构建直线轴定位误差模型；回转轴的定位误差，作为回转轴光栅示值误差，叠加到回转轴光栅示值上，等效为回转轴光栅示值误差，构建回转轴定位误差模型。
3.根据权利要求1所述齿轮测量中心测量不确定度评定方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据多体理论和齐次坐标变换，建立包含直线轴18项几何误差的测头位姿误差模型，将其等效为VGMC中虚拟测头的位姿误差；所述18项几何误差分别为除定位误差外，直线轴的2项线性误差和3项角度误差，X、Y、Z三轴共15项，以及X、Y、Z每两轴之间的3项垂直度误差。
4.根据权利要求1所述齿轮测量中心测量不确定度评定方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据多体理论和齐次坐标变换建立包含回转轴7项几何误差的工件位姿误差模型，将其等效为VGMC中虚拟工件实际位姿误差；所述7项几何误差分别为除定位误差外，回转轴的2项线性误差和3项角度误差，以及回转轴与X、Y轴之间的2项垂直度误差。
5.根据权利要求1所述齿轮测量中心测量不确定度评定方法，其特征在于，所述步骤S6中，将S2至S5建立的误差模型映射至虚拟齿轮测量中心(VGMC)，其中，S2所述的光栅示值误差作用于光栅示值上，S3所述的测头位姿误差叠加于测头位姿上，S2所述的回转轴的转角示值误差作用于回转轴的转角示值上，S4所述的工件位姿误差作用于工件位姿上，参与碰撞检测计算，S5所述的工件安装误差是在虚拟工件装夹时产生的误差，将其叠加到工件的测量模型中，且在虚拟工件装夹时叠加。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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