亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：基于三截面测量的温度误差补偿方法
技术领域：
本发明涉及测试技术及仪器，具体讲涉及基于三截面测量的温度误差补偿方法。
背景技术：
回转体零件在工业生产的各种零件中，特别在军工生产中占有很大比重。它们作 为机器的关键零件被广泛应用于工业、航空、航天、国防等领域中。回转体类工件的母线可 以为直线段或圆弧段，表面的形状可以是圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、平面等。尽管回转 体类零件的结构与尺寸随其用途不同而异，但其结构一股都具有以下特点对各个截面的 圆度有较高要求，有多个内、外圆回转面需要检测，并对它们的同轴度要求较高。这些零件 往往是机器、装备的关键件，批量大，需要100%检测。回转体零件的高精度、高效率已经成 为国民经济和国防中许多部门的迫切需求。圆柱坐标系三坐标测量机特别适合于回转体零件的检测。圆柱坐标系三坐标测量 机的总体构成和工作原理如图1所示。测量机由回转工作台和若干个测量架组成。工件安 装在回转工作台上由夹具夹紧定心，并由回转工作台带动连续转动。测量架上分别装有各 种测头，以测量工件的内、外表面的轴向与径向尺寸、形状与位置误差。圆柱坐标系三坐标测量机有以下优点。测量效率高测量时工件连续旋转、测头固定不动，工件转动1圈，就完成对一个截 面的测量。而在传统正交式三坐标测量机中，需要逐点进行测量，十分费时。形位测量精度高采用在回转过程中测量，只有回转工作台的运动误差和测头的测 量不确定度影响测量圆度、圆跳动、同轴度等形位误差的精度，而各个测量架上的各个部件 的运动误差对于这些形位测量精度基本没有影响，因为在测量一个截面时它们不动。测头运动简单、防碰撞问题比较容易解决。但是圆柱坐标测量机也有它自己的问题。这主要是被测工件的尺寸不能直接从各 个测量架的标尺中读出。从标尺中读出的只是各个移动架的相对位移，为了确定被测工件 的绝对尺寸，需要知道各个测量架的坐标原点相对于回转工作台坐标系原点的位置，以及 坐标轴之间的方向关系，即实现各个测量架与回转工作台坐标系的统一。通常通过对基准 件的标定来实现这一坐标系的统一。然而，如图1所示，由于温度变化会使各个测量架相对于回转工作台的位置和坐 标轴的方向发生变化，引起测量误差。特别对于在车间使用的圆柱坐标测量机温度变化引 起的测量误差会很大，常达几十至数百微米。温度误差补偿最常用的方法是建立温度场与 热变形模型。这种方法不仅复杂，而且难以获得好的效果。特别是在车间条件下，温度变化 复杂，采用建立温度场模型与热变形模型的方法难以获得好的效果。在实践中发现有一部分回转体零件需要通过螺纹与相关件连接，并保证相连接的 相关件具有准确的位置与方向，为此需要通过一些套筒，作为模拟的相关件，测量其在离开 零件一定位置处的延伸部位的跳动量。在这种情况下可以将套筒作为基准件，利用它实现 温度误差补偿。但是在更多的情况下工件没有螺纹连接，或者没有延伸部位的跳动量需要测量。这时为了温度误差补偿，引入专用的套筒就不方便。对于内径的测量可以采用双向测量的方法，即采用一种能够进行双向测量的测 头，先后对工件孔的左壁和右壁进行探测。由于热变形引起的测量机内测轴相对于回转工 作台轴线的偏移，对于左测与右测的影响是相反的，所以通过左测与右测取平均值就可以 消除热变形的影响。通过求取左测与右测结果的差值，就可以获得由热变形产生的内测主 轴偏移。但是对于外径测量，双向测量的方法不适用，因为图1中测量外径的测头9不能转 到回转工作台左边去测量。同时利用左右两个外测量架3与7测量工件的外径也不能消除 测量机热变形的影响，因为左右两个外测量架3与7的变形量是不一样的。

发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种基于三截面测量的温度误差补偿技术，提高圆 柱坐标测量机测量稳定性，本发明采取的技术方案是，基于三截面测量的温度误差补偿方 法，包括下列步骤1.利用一个直径都经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线 方向进行标定；2.建立温度误差补偿的数学模型；3.在建立的温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工 件测量结果的数据处理程序中；4.将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程 中加测用于误差补偿所需要测量的截面；5.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。所述建立温度误差补偿的数学模型是，热变形使右测量架相对于回转工作台右移 δ ”右测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的顺时针偏转β ”在高度zl处进行测量，使 测量得到的外径值减小2 ( δ 1+Ζι β D ；而在从左侧测量工件外径时，如果由于热变形使左测 量架相对于回转工作台右移S2，测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的偏转角为β2， 测量高度也是zl，就会使测量得到的外径值增大2 ( δ 2+Ζι β 2)；为了实现误差补偿，需要利用左右两个测量架再测量两个截面，测量可以与测量 回转工作台直径同时或紧接着进行，两个测量架的平移和偏转与前相同，是在高度ζ2处 进行测量，两个测量架偏转对直径测量的影响分别变为_2ζ2 β ！和2Ζ2 β 2，工件的直径D2 是未知的，如果工件直径有偏差AD2，所以从右边与左边测量得到的直径值偏差分别为 Δ D2-2 ( δ !+Z2 β》与 Δ D2+2 ( δ 2+ζ2 β 2).在高度ζ3处进行测量，两个测量架偏转对内测主轴表面位置测量的影响分别 变为-Z3P1和_ζ3β2，这里还要考虑在热变形影响下内测量架主轴的位置也会有偏移， 设为S3，这样从右边与左边测量得到的内测主轴表面位置变化分别为S3-S1-Zj1和 δ 3- δ 2-ζ3 β 2 ；从进行的测量中可以得到6个偏差值力⑶广、^)』^^、^)、 Δ D2-2 ( δ !+Z2 β J、Δ D2+2 ( δ 2+ζ2 β 2)、δ 3- δ「ζ3 β i 和 δ 3- δ 2-ζ3 β 2，从这 6 组测量结果中 可以求得6个未知量δ ρ δ 2、δ 3、β ρ β 2、Δ D2，从而各个截面的外径进行温度误差补偿。
本发明具备如下技术效果1、本发明提出了一种通过三截面测量实现温度误差补偿的技术，使测量机的测量 结果几乎不受环境温度的影响，大幅度地提高了测量机测量结果的长期稳定性。已在实践 中取得良好效果。2、适用性强，适宜推广应用。


图1为圆柱坐标测量机工作原理图。图中，1-回转工作台，2-夹具，3-外测架1， 4-外测头1，5_工件，6-内测主轴，7-外测架2，8-内测头，9-外测头2。图2为外径测量误差补偿测量位置示意图。图中，a)部分是测量回转工作台直径， b)部分是测量工件直径，c)部分是测量内测主轴宽度。
具体实施例方式本发明的目的在于提供一种基于三截面测量的温度误差补偿技术，提高圆柱坐标 测量机外径测量稳定性。在圆柱坐标测量机上测量工件尺寸的温度误差主要由以下三方面的因素引起。测量架相对于回转工作台产生平移。测量架的运动轴线方向相对于回转轴线发生偏转。工件本身的热膨胀。本发明提出了一种通过三截面测量的方法实现温度误差补偿的技术。其工作原理 如图2所示。在圆柱坐标测量机上测量工件直径时，从标尺中读出的只是各个移动架的相对 位移，为了确定被测工件的绝对尺寸，需要知道各个测量架的坐标原点相对于回转工作台 坐标系原点的相对位置，由于热变形等原因使测量架的坐标原点相对于回转工作台坐标 系原点的位置发生变化，就会带来测量误差。在图2a所示从右侧测量工件外径情况下， 如果由于热变形使右测量架相对于回转工作台右移S工，右测量架的运动轴线方向相对于 回转轴线的顺时针偏转β ”由于是在高度zl处进行测量，就会使测量得到的外径值减小 2( δ 1+Ζι β J。而在从左侧测量工件外径时，如果由于热变形使左测量架相对于回转工作台 右移S2，测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的偏转角为β2，测量高度也是zl，就会使 测量得到的外径值增大2(52+2力2)。由于左右两个测量架是互相独立的，一股不会有S1 =52或31 = -52，^=02或P1 = -P2，难以仅仅根据这两个测头测量回转工作台的 直径结果，求得热变形引起的测量架平移与偏转，进行误差补偿。为了实现误差补偿，需要利用左右两个测量架再测量两个截面。图2b是测量工 件某一截面直径的情形。由于测量可以与测量回转工作台直径同时或紧接着进行，可以 认为在图2b的测量中，两个测量架的平移和偏转与图2a相同，只是它们是在高度z2处进 行测量，两个测量架偏转对直径测量的影响分别变为_2Z2 β工和2Ζ2 β 2。但是工件的直径 D2是未知的，如果工件直径有偏差AD2，所以从右边与左边测量得到的直径值偏差分别为 Δ D2-2 ( δ !+Z2 β》与 Δ D2+2 ( δ 2+ζ2 β 2)。图2c是用两个测量架测量内测主轴位置的情况。由于测量可以与测量回转工作台直径同时或紧接着进行，可以认为在图2c的测量中，两个测量架的平移和偏转与图2a相 同，只是它们是在高度z3处进行测量，两个测量架偏转对内测主轴表面位置测量的影响分 别变为-Z3 β工和-Z3 β 2。这里还要考虑在热变形影响下内测量架主轴的位置也会有偏移， 设为、。这样从右边与左边测量得到的内测主轴表面位置变化分别为δ ^S1-Z3P1和
3 3_ 3 2_Z3 ^ 2°从图2a、2b、2c进行的测量中可以得到6个偏差值_2 ( δ 1+Ζι β》、2 ( δ 2+Ζι β 2)、
Δ 02-2(5^22 ^1), Δ D2+2 ( δ 2+ζ2 β 2)、δ J1-Z3 禾口 δ3-δ2_ζ3β2。从这 6 组测量结果
中可以求得6个未知量δ ρ δ2、δ3、βρ β2、Δ D2，从而各个截面的外径进行温度误差补 m
te ο在上面的讨论中没有考虑工件与回转工作台本身的热膨胀。一股说，测量架标尺 的零位与回转工作台轴线间的距离比工件的直径大许多，可以认为温度误差主要由两个测 量架相对于回转工作台轴线产生平移与轴线方向偏转引起。在需要考虑工件与回转工作台 本身的热膨胀的情况下，只要知道它们的线膨胀系数，并在它们上安装一定的测温元件，就 可以根据测量得到的温度，计算出它们的热变形。工件与回转工作台本身的热变形模型比 测量机的温度模型简单得多，因为测量机由大量构件组成，它们不仅温度、线膨胀系数都可 能不同，而且影响测量端位移的方式也不同，温度与热变形模型十分复杂。由上例概括为1.利用一个直径经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线方 向进行标定。2.建立温度误差补偿的数学模型。3.在建立的温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工 件测量结果的数据处理程序中。4.将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程 中加测图2所示用于误差补偿所需要测量的截面。图2b所示截面可以是工件需要测量的 一个截面。5.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。回转体零件在工业生产的各种零件中，特别在军工生产中占有很大比重。它们作 为机器的关键零件被广泛应用于工业、航空、航天、国防等领域中。这些零件往往是机器、装 备的关键件，批量大，需要100%检测。回转体零件的高精度、高效率测量已经成为国民经济 和国防中许多部门的迫切需求。温度变化会使各个测量架的位置和坐标轴方向相对于回转工作台的发生变化，引 起测量误差，成为影响测量结果稳定性与精度的主要因素。特别对于在车间使用的圆柱坐 标测量机，温度变化引起的测量误差会很大，常达几十至数百微米。加之车间温度条件变化 复杂，采用建立温度场模型的方法进行温度误差补偿难以获得好的效果。本发明提出了一 种通过三截面测量实现温度误差补偿的技术，使测量机的测量结果几乎不受环境温度的影 响，大幅度地提高了测量机测量结果的长期稳定性。已在实践中取得良好效果。它适用性 强，兵工集团公司准备大面积推广。本发明也有望用于回转体加工机床中。
权利要求
一种基于三截面测量的温度误差补偿方法，其特征是，包括下列步骤1).利用一个直径都经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线方向进行标定；2).建立温度误差补偿的数学模型；3).在建立的温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工件测量结果的数据处理程序中；4).将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程中加测用于误差补偿所需要测量的截面；5).进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于三截面测量的温度误差补偿方法，其特征是，所述 建立温度误差补偿的数学模型是，热变形使右测量架相对于回转工作台右移δ工，右测量架 的运动轴线方向相对于回转轴线的顺时针偏转β ”在高度zl处进行测量，使测量得到的外 径值减小2( δ 1+Ζι β J ；而在从左侧测量工件外径时，如果由于热变形使左测量架相对于回 转工作台右移S2，测量架的运动轴线方向相对于回转轴线的偏转角为β2，测量高度也是 zl，就会使测量得到的外径值增大2 ( δ 2+Ζι β 2)；为了实现误差补偿，需要利用左右两个测量架再测量两个截面，测量可以与测量回 转工作台直径同时或紧接着进行，两个测量架的平移和偏转与前相同，是在高度ζ2处 进行测量，两个测量架偏转对直径测量的影响分别变为Izj1和2ζ2β2，工件的直径D2 是未知的，如果工件直径有偏差AD2，所以从右边与左边测量得到的直径值偏差分别为 Δ D2-2 ( δ !+Z2 β》与 Δ D2+2 ( δ 2+ζ2 β 2)；在高度ζ3处进行测量，两个测量架偏转对内测主轴表面位置测量的影响分别变 为-ζ3β i和_ζ3β 2，这里还要考虑在热变形影响下内测量架主轴的位置也会有偏移，设 为、，这样从右边与左边测量得到的内测主轴表面位置变化分别为S3-S1-Z3^和 δ 3- δ 2-ζ3 β 2 ；从进行的测量中可以得到6个偏差值力⑶力^^二⑶彳、^)、 Δ D2-2 ( δ !+Z2 β J、Δ D2+2 ( δ 2+ζ2 β 2)、δ 3- δ「ζ3 β i 和 δ 3- δ 2-ζ3 β 2，从这 6 组测量结果中 可以求得6个未知量δ ρ δ 2、δ 3、β ρ β 2、AD2,从而各个截面的外径进行温度误差补偿。
全文摘要
本发明涉及测试技术及仪器。提供一种基于三截面测量的温度误差补偿技术，提高圆柱坐标测量机测量稳定性，本发明采取的技术方案是，基于三截面测量的温度误差补偿方法，包括下列步骤1.利用一个直径都经过标定、可以溯源的量规对测量机各个测量架的零位、轴线方向进行标定；2.建立温度误差补偿的数学模型；3.在建立的温度误差补偿的数学模型基础上编写误差补偿程序，并将它加入到工件测量结果的数据处理程序中；4.将为进行温度误差补偿所需要测量的截面加入到测量程序中，在测量工件过程中加测用于误差补偿所需要测量的截面；5.进行测量结果数据处理，实现温度误差补偿。本发明主要应用于回转件的加工测量。
文档编号G01B21/10GK101975564SQ20101029214
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者刘书桂, 张国雄, 李杏华, 裘祖荣, 郭敬滨 申请人:天津大学