一种基于两步法的超精密圆度测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于两步法的超精密圆度测量方法及装置。为了实施基于两步法的圆度测量，首先根据位移传感器的谐波不确定度及不确定度的传播规律，预测出不同测量角度下圆度测量结果的不确定度，并找出两步法的最优测量角度；其次，操作圆度测量装置，分别在第一转台和第二转台的相对角度为0度和最优测量角度下，测量得到两组工件表面的径向跳动信号，并将此两次信号带入两步法算法以计算出被测工件的圆度。而基于两步法的圆度测量装置主要由基座、第一转台、第二转台、三爪卡盘、位移传感器和高度调节机构构成。本发明专利技术的测量装置结构简单，且采用有效的手段以抑制测量不确定度的传播，令测量不确定度达到最小，测量精度达到最高。

An ultra precision roundness measurement method and device based on two-step method

The invention discloses a super precision roundness measurement method and device based on two-step method. In order to implement roundness measurement based on two-step method, firstly, according to the harmonic uncertainty of displacement sensor and the propagation law of uncertainty, the uncertainty of roundness measurement results under different measurement angles is predicted, and the optimal measurement angle of two-step method is found; secondly, the roundness measurement device is operated, and the relative angles of the first and second turntables are 0 degree and the optimal measurement angle respectively Next, the radial runout signals of two groups of workpiece surfaces are measured, and the two signals are brought into the two-step algorithm to calculate the roundness of the measured workpiece. The roundness measuring device based on two-step method is mainly composed of base, first turntable, second turntable, three jaw chuck, displacement sensor and height adjusting mechanism. The measuring device of the invention has simple structure and adopts effective means to suppress the propagation of the measurement uncertainty, so that the measurement uncertainty reaches the minimum and the measurement accuracy reaches the maximum.

【技术实现步骤摘要】
一种基于两步法的超精密圆度测量方法及装置
本专利技术涉及圆度测量
，具体涉及一种基于两步法的超精密圆度测量方法及装置。
技术介绍
圆度测量是制造业中最基础的测量任务之一。据德国卡尔蔡司(CarlZeiss)统计，在制造业中，圆度测量占总测量任务的50-60％。这主要是由于现代工业设备大量地采用了回转类零部件，如轴承、光学透镜、密封件等；此外，该类零件往往发挥着决定性作用，是确保设备性能的关键所在。为了加工超精密、高性能的回转类零件，其前提条件在于建立超精密、可靠的圆度测量技术与仪器，以提供测量学依据。目前，圆度测量任务一般由圆度仪完成，其测量精度主要由转台精度决定。当前，世界上最精密的商用圆度仪——Talyrond595H——的转台误差仅为10纳米。然而，超精密零件的圆度误差有时仅为数纳米。此时，即使采用当下最先进的Talyrond595H圆度仪，转台误差仍然会引入过大的系统测量偏差，导致测量结果无效。为了消除转台引起的系统测量偏差，国内外学者提出了误差分离技术，包含多种实现形式，如翻转法、多步法及三点法等。该技术可将转台误差和工件圆度分离开来，理论上可实现零系统偏差测量，突破现有圆度仪的精度极限。我国精密机械基础薄弱，不具备研制纳米级精度转台的能力，因此，借助于误差分离技术开发国产的超精密圆度仪，可能会扭转我国圆度仪市场长期被欧美企业垄断的现状。但是，误差分离技术的测量精度并不稳定，常常受谐波抑制问题的干扰：当谐波传递矩阵的行列式|W(k)|等于0时，圆度的谐波分量无法被估计出来，该谐波称作抑制谐波；当|W(k)|接近0时，谐波的估计值倾向于含有较大的谐波测量误差，因而，该谐波被称为敏感谐波。针对谐波抑制问题，研究人员已进行了大量而深入的研究，并提出多种解决途径。专利技术专利(申请号：201410667811.7、名称：一种用于三点法圆度误差分离技术的传感器安装角度选择方法)提出角度优化的方法，以缓解“谐波抑制”问题。其所采用的角度优化策略为使传递矩阵行列式的最小值达到最大，也即max[min|W(k)|]。专利技术专利(申请号：CN201511021695.2、名称：一种用于回转误差、圆度误差测量的改进三点法)提出杂交三点法，其步骤如下：首先，实施多次三点法来为每个谐波测得多个估计值；然后，依据优化函数max|W(k)|为各个谐波筛选出“最优”估计值，从而使得每个谐波的测量误差达到最小，同时，总测量误差大幅度地减小。然而，已有研究表明传递矩阵的行列式|W(k)|与谐波测量不确定度并不存在严格的负相关关系。这实质上降低了上述解决途径的有效性：依据max|W(k)|并不能确保筛选出最优的谐波估计值；通过max[min|W(k)|]也并不能确保获得最高的测量精度。谐波抑制问题的本质是测量不确定度在频域传播的一些特殊情况：抑制谐波是指该谐波的不确定度在测量过程中被无穷放大；敏感谐波是指该谐波的不确定度在测量过程中被放大较多倍数；此外，其他谐波也存在不确定度的传播与放大。因此，为了从本质上彻底地解决谐波抑制问题，首先需要针对误差分离技术，建立起测量不确定度的传播规律及定量评估方法；在此基础上，采用有效的手段以抑制测量不确定度的传播，从而令测量不确定度达到最小，测量精度达到最高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于两步法的超精密圆度测量方法。此基于两步法的超精密圆度测量方法可减少测量过程的系统误差和随机误差，提高测量结果的准确度和精度。同时本专利技术的另一目的还提供了一种基于两步法的超精密圆度测量装置。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种基于两步法的超精密圆度测量方法，包括以下步骤：(1)将被测工件固定于圆度测量装置的第二转台上，圆度测量装置的位移传感器对准被测工件的被测截面，在圆度测量装置的第一转台转动若干圈的过程中位移传感器同步采集被测工件表面的径向跳动信号，该信号记为m0(θ)，据m0(θ)统计出位移传感器的谐波不确定度p(k)；(2)根据位移传感器的谐波不确定度p(k)及两步法的不确定度传播规律，预测出不同测量角度下圆度测量结果的不确定度，并找出最优测量角度φ；(3)调整第二转台与第一转台的相对角度，使第二转台与第一转台的相对角度为0度，实施两步法中的第一次信号采集：在第一转台转动一周的过程中，位移传感器同步采集被测工件表面的径向跳动信号，此信号记为m1(θ)；(4)再次调整第二转台，使第二转台与第一转台的相对角度为最优测量角度φ，实施两步法中的第二次信号采集：在第一转台转动一周的过程中，位移传感器同步采集被测工件表面的径向跳动信号，该信号记为m2(θ)；(5)将两次测得的径向跳动信号m1(θ)和m2(θ)代入两步法算法中，计算出被测工件的圆度。优选的，步骤(1)中，位移传感器谐波不确定度p(k)的统计算法包含以下步骤：(1-1)计算位移传感器的噪声信号noise(θ)：此为式1)；式1)中，θ∈[02π]，表示第一转台的绝对转动角度；m0(θ)表示位移传感器所采集到的c圈位移信号，存储为c×n矩阵，其中，c为第一转台转动的圈数，且c为大于2的自然数，n为每圈的采样点数；表示c圈位移信号的均值，为1×n矩阵；noise(θ)表示位移传感器的噪声信号，为c×n矩阵；(1-2)计算位移传感器噪声信号noise(θ)中行向量的频谱：此为式2)；式2)中，k表示谐波阶次；(1-3)计算位移传感器的谐波不确定度p(k)，谐波不确定度p(k)的值等于噪声信号noise(θ)功率谱的均值：此为式3)。优选的，步骤(2)中，最优测试角度φ的确定方法包括以下步骤：(2-1)已知位移传感器的谐波不确定度为p(k)，则依据两步法的不确定度传播规律，圆度测量结果的谐波不确定度pnoise,r(k)为：此为式4)；及圆度测量结果的总不确定度Ur(φ)为：此为式5)；依据式4)和式5)，预测出所有角度下的圆度测量结果的不确定度Ur(φ)；(2-2)进一步，确定出最优测量角度φ，使得圆度测量结果的不确定度达到最小minφ∈(0,2π)Ur(φ)。优选的，步骤(5)中，两步法算法包含以下步骤：(5-1)在步骤(3)中，两步法中第一次采集的径向跳动信号为m1(θ)，该信号包含第一转台的回转误差和被测工件的圆度，其中，在第一次采集过程中，第一转台的回转误差为x(θ)，被测工件的圆度为r(θ)，则m1(θ)＝x(θ)+r(θ)；(5-2)在步骤(4)中，两步法中第二次采集的径向跳动信号为m2(θ)，该信号也包含第一转台的回转误差和被测工件的圆度；但是，由于第二转台与第一转台之间的相对角度φ，导致被测工件的圆度也存在相位滞后φ，则在第二次采集过程中，第一转台的回转误差同样为x(θ)，而此次被测工件的圆度为r(θ-φ)，则有m2(θ)＝x(θ)+r(θ-φ)；(5-3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于两步法的超精密圆度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将被测工件固定于圆度测量装置的第二转台上，圆度测量装置的位移传感器对准被测工件的被测截面，在圆度测量装置的第一转台转动若干圈的过程中位移传感器同步采集被测工件表面的径向跳动信号，该信号记为m

【技术特征摘要】
1.一种基于两步法的超精密圆度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将被测工件固定于圆度测量装置的第二转台上，圆度测量装置的位移传感器对准被测工件的被测截面，在圆度测量装置的第一转台转动若干圈的过程中位移传感器同步采集被测工件表面的径向跳动信号，该信号记为m0(θ)，据m0(θ)统计出位移传感器的谐波不确定度p(k)；
(2)根据位移传感器的谐波不确定度p(k)及两步法的不确定度传播规律，预测出不同测量角度下圆度测量结果的不确定度，并找出最优测量角度φ；
(3)调整第二转台与第一转台的相对角度，使第二转台与第一转台的相对角度为0度，实施两步法中的第一次信号采集：在第一转台转动一周的过程中，位移传感器同步采集被测工件表面的径向跳动信号，此信号记为m1(θ)；
(4)再次调整第二转台，使第二转台与第一转台的相对角度为最优测量角度φ，实施两步法中的第二次信号采集：在第一转台转动一周的过程中，位移传感器同步采集被测工件表面的径向跳动信号，该信号记为m2(θ)；
(5)将两次测得的径向跳动信号m1(θ)和m2(θ)代入两步法算法中，计算出被测工件的圆度。


2.根据权利要求1所述的基于两步法的超精密圆度测量方法，其特征在于，步骤(1)中，位移传感器谐波不确定度p(k)的统计算法包含以下步骤：
(1-1)计算位移传感器的噪声信号noise(θ)：

此为式1)；
式1)中，θ∈[02π]，表示第一转台的绝对转动角度；m0(θ)表示位移传感器所采集到的c圈位移信号，存储为c×n矩阵，其中，c为第一转台转动的圈数，且c为大于2的自然数，n为每圈的采样点数；表示c圈位移信号的均值，为1×n矩阵；
(1-2)计算位移传感器噪声信号noise(θ)中行向量的频谱：

此为式2)；
式2)中，k表示谐波阶次；
(1-3)计算位移传感器的谐波不确定度p(k)，其值等于噪声信号noise(θ)功率谱的均值：

此为式3)。


3.根据权利要求1所述的基于两步法的超精密圆度测量方法，其特征在于，步骤(2)中，最优测试角度φ的确定方法包括以下步骤：
(2-1)已知位移传感器的谐波不确定度为p(k)，则依据两步法的不确定度传播规律，圆度测量结果的谐波不确定度pnoise，r(k)为：

此为式4)；
及圆度测量结果的总不确定度Ur(φ)为：

此为式5)；
依据式4)和式5)，预测出所有角度下的圆度测量结果的不确定度Ur(φ)；
(2-2)进一步，确定出最优测量角度φ，使得圆度测量结果的不确定度达到最小minφ∈(0，2π)Ur(φ)。


4.根据权利要求1所述的基于两步法的超精密圆度测量方法，其特征在于，步骤(5)中，两步法算法包含以下步骤：
(5-1)在步骤(3)中，两步法中第一次采集得到的径向跳动信号为m1(θ)，该信号包含第一转台的回转误差和被测工件的圆度，其中，在第一次采集过程中，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：史生宇，徐文华，文志荣，祝隽永，殷小春，瞿金平，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44