回转体测量机高精度标定技术研究

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　　1 引言

　　回转体类零件在工业生产(特别是军工生产)的各种零件中占有很大比重,被广泛应用于机械、航空航天、国防等各个领域。回转体类工件的母线可以是直线段或圆弧段,表面形状可以是圆柱面、圆锥面等。尽管回转体类零件的结构与尺寸随其用途不同而各异,但对其结构参数的检测一般具有以下要求:对各个截面的圆度有较高要求;需要检测多个内、外圆回转面,并对其同轴度要求较高。许多回转体类零件往往都是机器设备的关键零件,需要100%全检。因此,对回转体零件进行高精度、高效率检测,已成为许多国民经济和国防部门的迫切需求。

　　测量回转体零件的常见方式是:被测工件旋转,测头上下移动采集工件表面数据,通过数据处理获得测量结果。回转体测量机在测量回转类零件时具有较大优势,可以快速、高精度地测量零件的各种形位误差[1-4]。此类测量机主要有以下系统误差需要标定:测量架与回转轴线的平行度、测头偏心[5-8]、测头的测量方向与回转轴线的垂直度等。回转体测量机的模型如图1所示。

　　本文对回转体测量机的系统误差进行了分析,利用标准圆棒体现回转轴线[9],建立了标定数学模型,消除了标准件由于加工、安装误差等不确定度的影响,分析了标定精度,进行了标定和测量实验。结果表明,测量机标定后的系统误差小于2μm,对直径293.5mm、高度1500mm的回转体工件进行测量时,直径误差小于5μm,可满足高精度测量要求。

　　2 系统误差分析

　　(1)平行度误差

　　测量架与回转轴线的平行度可分为xoz平面和yoz平面两个方向的平行度(见图2)。当测量架与回转轴线在xoz平面倾斜Hx角度时,所产生的测头读数误差为

　　式中,H为被测截面距离零位基准的高度。

　　当测量架与回转轴线在yoz平面倾斜Hy角度时,所产生的测头读数误差为

　　式中,R为标准圆棒的半径,H为被测截面距离零位基准的高度。

　　(2)测头偏心误差

　　由于安装误差,导致测头敏感方向与回转中心不在一条直线上(测头偏心),会引起测头读数的系统误差。如图3所示,O为回转中心,e为理想测头位置(用虚线表示)与实际测头位置(用实线表示)的偏心误差,则引起的测头读数误差为

　　式中,R为标准棒的半径。

　　(3)测头垂直度误差

　　由于装夹误差,造成测头敏感方向与回转轴线不垂直,会引起测头读数的系统误差。如图4所示,测头与回转轴线的夹角为Hc,由此引起的测头读数误差为