基于空气轴承的高精度圆度测量系统设计

　　在中物院科学技术发展基金“离子束去除法修正曲面局部形貌技术研究”(20060323)的研究过程中，为了更好地定量描述离子束抛光的效果，并且确定抛光修正的局部区域，需要准确测量零件截面的圆度。常规商用的高精度圆度仪虽然能够达到很高的测量精度，但是其对同一截面圆度的重复测量稳定性差。这主要是由于一般商用圆度仪采用宝石测头、点接触测量方式，重复测量过程中找准同一截面不容易。商用圆度仪还有一个比较不方便的地方就是其测量的详细数据不易提取，不利于实验过程分析和工艺过程规划。为此，笔者研制了一套基于空气轴承的圆度测量装置，作为基金研究实验现场的测试工具，取得了良好的应用效果。

　　1 测量系统的硬件设计

　　圆度测量系统的主要硬件装置如图1所示。其回转系统采用高精度的空气静压轴承(径向跳动低于0.1μm，径向刚度20～30N/μm[1])作为回转主轴，利用“工控机+控制卡”来控制和驱动伺服电机，带动空气轴承和被测工件均匀转动。配备调心调平装置，使得工件的轴线能够和空气静压轴承的回转中心调整重合(同轴偏差小于1μm)，以减小测量截面的偏心量，提高测量结果的误差分离精度。其数据采集系统利用“笔记本电脑+数采卡+转换器”来实现数据的采集。主要硬件有：高精度非接触位移传感器、光电开关、八通道扩展箱、数据采集卡、笔记本电脑等。位移传感器选用的是高精度电容传感器(最小分辨率为0.02μm)，以减小测量截面的定位误差对测量结果的影响，并有效地保证测量精度。光电开关提供一个准确的初始相位信号，使得传感器采集的数据点可以比较精确的和工件上的位置一一对应，有利于在实验过程中精确掌握工件实际的截面形貌。

　　2 测量系统的数据处理方法

　　由于空气静压轴承的径向回转误差很小，因此可以认为对采集的原始数据进行消偏心之后所剩下的即为被测零件的圆度值。系统采用消除一次谐波的方法消除偏心，基本算法如下：

　　假定传感器读数为S(i)，转子每转一圈传感器采集点数为n，消一次谐波之前必须先消除残余误差：

　　则传感器测量值的一次Fourier系数为：

　　消除偏心之后的传感器的测量值为：

　　程序界面如图2所示。

　　3 测量系统的性能实验

　　性能实验以GCr15材料的转子为实验对象。转子的测量面直径为40mm。其结构和测量位置如图3所示。为了检验圆度测量系统的测量准确性，选用转子上的A截面(如图4所示) 作为对比基准面。该面在做GCr15材料的去除函数实验时形成了两个比较规则的凹坑。对比测量结果如图4、图5所示。