经线法球度测量的评定方法研究

　　随着科学技术的迅速发展,超精加工技术已成为国防工业和高科技产品的关键技术,也是现代制造业最重要的发展方向之一.超精加工和精测量是紧密相关,相互依赖且属于精密工程学研究领域内的两相邻学科.在精密仪器、仪表及航空航天设备和各种高技术装备中,高精度球面形状误差往往是影响其工作质量的关键.所以,球度的评定和判别理论、测量技术及建立球度基准,具有十分重要的现实意义和科学价值.本文对球面球度误差的评定理论、测试技术进行了较系统的研究,给出了球度的评定方法,建立了球度误差的数学模型,并结合圆度仪及有关的辅助装置对球度误差的测试技术和评定方法进行了多方面研究.

　　1 球度误差的经线法测量原理及方法[1]

　　1.1 “经线法”的原理

　　首先假定两个前提条件:

　　(1)测量时,球体自转轴线与仪器测量轴线相垂直;

　　(2)球体某几何轴线与测量时球体的自转轴线相重合或偏移极小.

　　如图1、图2所示,测量时,测量截面过球体自转轴线N-S垂直于仪器的测量轴O-O.采样角.每测完一个测量轴线截面,球体依次绕自转轴线转过角,测一下个截面,绕自转轴线共测M个截面,绕测量轴共测N点,各测量球面与自转轴线有公共汇集点N和S,可称之为极点.各截面轮廓的平均圆(或最小二乘圆)可称之为经线圆.球度误差可以通过这些经线赤道圆的圆度误差来描述.

　　1.2 测量方法

　　测量装置:圆度仪、圆锥形支承、球体自转分度机构、传感器,“经线法”球度测量是在超精型圆度仪上实现的.

　　在圆度仪上测量时,球体的自转轴线与圆度仪的主轴回转轴线相垂直,为得到确保圆度轨迹总在最大直径处,必须使用具有一定曲率半径的测头.这就保证了0经线法0测球度的两个前提条件.

　　将支承置于圆度仪回转台上,使得圆锥槽的中心线与圆度仪回转中心尽可能重合,并将球体固定在锥形槽中.通过调整使得球心相对圆度仪转台回转中心偏差最小,以减小主轴回转误差.传感器测头采用斧形测头,使得每次测量均在球体赤道圆上,并且要求测头垂直于圆度仪回转轴线O)O.用已知角度对球体进行多次分度、定位、测量,直至所要求分度次数.当球体绕自转中心依次转过φ0(φ0=2π/M)时,传感器记录下此截面的数据,当球体转过M次,传感器记录下了M周的数据采样,即M个赤道圆的数据,又在每个赤道圆上采N个点,那么球面上均匀分布着MxN个采样点,通过这MxN个数据来评定球度.

　　2 球度误差的评定

　　球面是一种重要的轮廓.标准球作为球间点的体现在精密测量中作为定位基准,已经应用多年.例如:主轴回转精度的测量,常用标准球作为测量基准;机构的球面付,由于球度误差将会对机构的运行状态和动态特性产生重大影响[2],对球度误差的评定问题显得更加重要.但是在国家标准形状位置公差中没有球度公差和评定球度公差的规定,而是把它当成一种面轮廓度来对待.因此和四项形状误差相比,对于球度误差的评定和判别方法研究的还不够.这与球在机械制造和机构理论中的作用是不相称的.而从形状公差标准体系而言,单一要素形状误差应该包含直线、圆、平面、圆柱和球五项.因此球度误差的评定和判别对于球面测量和球度基准的建立具有重要的实际意义和科学价值[3].