基于混合四点法的轴系测量装置及轴系廓形在线重构方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开的基于混合四点法的轴系测量装置及轴系廓形在线重构方法，通过定向等距的移动固定架，对待测轴的轴向多个截面进行改进的四点误差分离技术，提取每个被测截面中心的相对变化量，然后根据各个截面的中心位置拟合空间中线，并以萃取的空间中线作为基准轴线将各个截面分离的圆度误差组合到轴线上，进而实现回转轴系的轮廓重构，再进一步的进行形状误差评定。本发明专利技术能实现在测量过程中准确分离回转轴系的径向误差运动和倾斜误差运动，从而确保重构轴系廓形的精确度。保重构轴系廓形的精确度。保重构轴系廓形的精确度。

【技术实现步骤摘要】
基于混合四点法的轴系测量装置及轴系廓形在线重构方法


[0001]本专利技术属于精密轴系测试技术以及在线测量装备检测
，具体涉及基于混合四点法的轴系测量装置及轴系廓形在线重构方法。

技术介绍

[0002]精密旋转轴系作为高精度机床的核心，其运行状态直接影响着机械加工的精度，研究精密旋转轴系首先要对它的空间运动状态有清晰的认识和描述，对于机床而言，机床转轴的偏差会对加工精度产生重要影响，它将直接决定加工零件的外形形状以及粗糙度等因素。因此，回转精度对精密旋转轴系的运行具有直接影响，对精密轴系回转误差进行精确的测量和准确提取是十分重要的研究手段。在国标规定的众多形位误差检测项目中，圆柱形工件的圆柱度误差的检测是非常重要的组成部分，目前我国测量圆柱度主要使用的仪器是圆度仪、三坐标测量机等，这些精密测量仪器成本比较昂贵，对测量环境要求很高，并且难以满足在线测量需求。
[0003]为了实现精密旋转轴系形状误差的精密测量，继续提高测量仪器的精度几乎很难实现，因此国内外许多学者另辟蹊径，研究更高精度的测量方法。圆柱形零件可视为由无数截面圆沿轴向的叠合，理论上可以使用截面法实现圆柱的在线重构，采用有限个截面上的圆度误差来组合出圆柱体的误差形状[李圣怡，戴一帆等著.精密和超精密加工在位检测与误差分离技术[M].国防科技大学出版社，2007]。误差分离技术(Error Separation Techniques,EST)作为精密测量的基础方法，其基本思想是这样的：利用被测工件的轮廓表面是唯一确定的这一特征，同时应用多个测头对被测零件的表面进行测量，测量的信号中同时会包含有被测零件的形状误差以及测量机构的运动误差，采用一定的数学算法把被测零件的形状误差、测量机构的运动误差两者分离开来，然后得到被测工件的形状误差和测量机构的运动误差，从而实现被测零件形状误差的精密测量[勾富华，李济顺，张洛平等.圆柱度高精度测量系统的设计[J].洛阳工学院学报(自然科学版)，2002，(1)：46
‑
48]。传统三点法由于存在固有的一阶谐波抑制问题[李圣怡，戴一帆等著.精密和超精密加工在位检测与误差分离技术[M].国防科技大学出版社，2007]，难以准确的分离轴系回转误差和形状误差的一阶谐波分量，它虽然不会影响截面圆度误差的评定，但隐含了圆柱中心轴线的弯曲，对圆柱的在线重构造成了困难，也影响了圆柱度的评价，因此这也是轴系零件形状误差测量的关键。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于混合四点法的轴系测量装置及轴系廓形在线重构方法，可以实现从所测信号中分离并去除由测量系统引入的导轨误差、轴系运动误差和倾斜误差，从而得到所要测量的准确信号，保障所重构圆柱的准确性。
[0005]本专利技术的基于混合四点法的轴系测量装置，包括：电机、导轨机构、滑动架、固定架、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器；所述导轨机构
包括两根平行的导轨，所述滑动架跨设在两根导轨上可沿导轨移动，所述固定架安装在滑动架顶部，固定架上设有圆弧形的通孔；所述电机的输出轴与待测轴的一端连接，待测轴的另一端穿设在通孔中；所述第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器安装在固定架上且位于第一平面上，所述第一平面与待测轴的轴线垂直；第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器的探针位于通孔内且位于与待测轴同心的同一圆周上，所述第四位移传感器安装在固定架上，第四位移传感器的探针和第一位移传感器的探针位于与待测轴的轴线平行的直线上。
[0006]本专利技术的基于混合四点法的轴系廓形在线重构方法，采用权利要求1所述的基于混合四点法的轴系测量装置进行数据采集，包括：
[0007]步骤1：将待测轴沿轴向划分为L个间距为d的测量截面，移动滑动架使第一平面分别与L个截面对齐，移动架定位在相应的测量截面时待测轴旋转一周并通过第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器采集探针头距轴面的距离作为测量数据：
[0008]步骤2：对步骤1采集的测量数据进行离散傅里叶变换，通过截面三点圆度误差分离法获取与第一平面对齐的测量截面的圆度轮廓的s阶谐波分量，s＝0,2,3,
…
,N
‑
2，N表示每个传感器的测量总点数；通过轴向两点法获取径向误差分离结果的一阶谐波分量；
[0009]步骤3：计算被测轴上L个测量截面的圆度轮廓的1阶谐波分量：
[0010]步骤4：根据L个测位测量截面的圆度轮廓的1阶谐波分量拟合空间中线，将各截面轮廓形状组合到空间中线上，重构待测轴的圆柱轮廓。
[0011]本专利技术的基于混合四点法的轴系测量装置及轴系廓形在线重构方法，至少具有以下有益效果：
[0012]1.本专利技术提出的基于混合四点法的轴系廓形在线重构方法，配合轴系测量装置进行数据测量：具体采用4个位移传感器针对轴向两个截面进行测量并进行误差分离，提取两截面圆的中心相对变化量，由于这一相对变化是两截面间的固有特性，不会随着轴系旋转而产生变化，故将被测体各个截面圆的中心拟合，可获得重构圆柱的空间中线，这一技术理论是在基于圆柱三维重构的误差分离理念上的创新。
[0013]2.本专利技术认为在轴系每周回转条件下径向回转误差不具有重复性，采用三点圆度误差分离法和轴向两点法相结合，可准确将误差分离过程中截面圆度误差、轴系回转运动引起的径向误差和倾斜误差以及导轨误差运动分离开，这是混合四点法区别于已有的误差分离方法创新之一。
[0014]3.本专利技术中由于可准确将误差分离过程中轴系回转引起的误差运动以及导轨误差运动分离开，故对测量系统中导轨没有过高的精度要求，大大降低了轴系在线测量的成本，这也是本专利技术的应用价值所在。
[0015]4.本专利技术的测量方法是采用各截面上的圆度误差以拟合的空间中线为基准组合出圆柱体的误差形状。从而可以更加全面的进行圆柱形状误差评定，包括：圆度、圆柱度、母线直线度等误差，因此具有更加广泛的应用。
[0016]综上所述，本专利技术通过截面三点圆度误差分离法获取各截面的圆度误差，轴向两点法萃取两截面圆中心的相对变化量，并将各截面圆中心进行拟合作为重构圆柱的基准轴线，解决了因一阶谐波抑制无法萃取截面圆中心变化量的问题，将各截面的圆度轮廓以拟
合的中线为基准轴线组合，实现从评定单个截面圆度误差变化到评定整个圆柱廓形误差变化的创新，提供了一种更加全面的形状误差评定方法。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的实施例的基于混合四点法的轴系测量装置的示意图；
[0018]图2是本专利技术的实施例的基于混合四点法的轴系测量装置的俯视图；
[0019]图3是本专利技术的基于混合四点法的轴系廓形在线重构方法的流程图；
[0020]图4本专利技术的基于混合四点法的轴系测量装置的测量原理图；
[0021]图5是由导轨误差运动和轴系误差运动对测量过程中的影响示意图。
具体实施方式
[0022]本专利技术的基于混合四点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于混合四点法的轴系测量装置，其特征在于，包括：电机、导轨机构、滑动架、固定架、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器；所述导轨机构包括两根平行的导轨，所述滑动架跨设在两根导轨上可沿导轨移动，所述固定架安装在滑动架顶部，固定架上设有圆弧形的通孔；所述电机的输出轴与待测轴的一端连接，待测轴的另一端穿设在通孔中；所述第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器安装在固定架上且位于第一平面上，所述第一平面与待测轴的轴线垂直；第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器的探针位于通孔内且位于与待测轴同心的同一圆周上，所述第四位移传感器安装在固定架上，第四位移传感器的探针和第一位移传感器的探针位于与待测轴的轴线平行的直线上。2.如权利要求1所述的基于混合四点法的轴系测量装置，其特征在于，所述固定架上设有4个传感器定位孔，第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器设置在相应的传感器定位孔内，并通过止动螺丝固定。3.如权利要求1所述的基于混合四点法的轴系测量装置，其特征在于，所述导轨上设有刻度线。4.基于混合四点法的轴系廓形在线重构方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于混合四点法的轴系测量装置进行数据采集，包括：步骤1：将待测轴沿轴向划分为L个间距为d的测量截面，移动滑动架使第一平面分别与L个截面对齐，移动架定位在相应的测量截面时待测轴旋转一周并通过第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器采集探针距轴面的距离作为测量数据：步骤2：对步骤1采集的测量数据进行离散傅里叶变换，通过截面三点圆度误差分离法获取与第一平面对齐的测量截面的圆度轮廓的s阶谐波分量，s＝0,2,3,
…
,N
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2，N表示每个传感器的测量总点数；通过轴向两点法获取径向误差分离结果的一阶谐波分量；步骤3：计算被测轴上L个测量截面的圆度轮廓的1阶谐波分量：步骤4：根据L个测位测量截面的圆度轮廓的1阶谐波分量拟合空间中线，将各截面轮廓形状组合到空间中线上，重构待测轴的圆柱轮廓。5.如权利要求4所述的基于混合四点法的轴系廓形在线重构方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1.1、在固定架上根据三点圆度误差分离法布置第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，使三个传感器位于第一平面上，第四位移传感器位于第二平面上，第一平面和第二平面相平行且间距为d，步骤1.2、定义导轨的长度方向为Z轴方向，竖直方向为Y轴方向，待测轴的端面中与Y轴方向垂直的方向为X轴方向，第一位移传感器与X轴角度为0，第二位移传感器与第一位移传感器的夹角为β1，第三位移传感器与第一位移传感器的夹角为β2步骤1.3、将被测轴沿轴向划分为L个间距为d的测量截面；定义测位序列P＝1,2,
…
,L；测位指的是固定架从待测轴端部沿Z轴方向移动距离d后与第一平面对齐的测量截面；步骤1.4、初始化P＝1；步骤1.5、沿Z轴方向移动固定架，使固定架的第一平面与待测轴的第P个测量截面对齐；步骤1.6、由电机驱动待测轴旋转一周，通过第一位移传感器、第二位移传感器和第三
位移传感器采集待测轴在第P测量截面上旋转一周的测量数据；第四位移传感器采集在第P+1测量截面上旋转一周的测量数据，完成第P测位的测量；步骤1.7、重复步骤1.5和步骤1.6，进行P+1测位的测量，直到完成第L测位的数据测量，获取L个测位的测量数据。6.如权利要求4所述的基于混合四点法的轴系廓形在线重构方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1、第P测位时第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器采集的测量数据为m
i
(l
P
,k)，其中i＝1,2,3，k＝0,1,
…
,N
‑
1；N表示每个传感器的测量总点数，采样的角间隔为α＝2π/N，l
P
＝P
×
d表示为待测轴第P测位的轴向定位；k表示每个传感器的测量点序号；步骤2.2、利用三点圆度误差分离方法提取待测轴的第P测位的测量截面上的圆度轮廓的s阶谐波分量R(l
P
,s),s＝0,2,3...,N
‑
2表示谐波分量的阶数；步骤2.3、对第P测位的测量数据中第一位移传感器和第四位移传感器所采集的数据进行离散傅里叶变换，通过轴向两点法获取径向误差分离结果的一阶谐波分量M1(l
p
,1)和M4(l
P
,1)。7.如权利要求6所述的基于混合四点法的轴系廓形在线重构方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为：在第P测位将待测轴旋转一周，第一位移传感器和第四位移传感器分别采集测量截面P和P+1旋转一周的数据：和P+1旋转一周的数据：对式(5.1)和式(5.2)两边进行离散傅里叶变换，可获得截面径向误差分离结果的一阶谐波分量：M1(l
p
,1)＝R(l
p
,1)+Ε
x
(l
p
,1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6.1)M4(l
p
,1)＝R(l
p+1
,1)+Ε
x
(l
p
,1)+d
×
Φ(1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6.2)式中，R(l
p
,1)＝DFT[r(l
p
,1)]为第P测位的测量截面的轮廓的1阶谐波分量；Ε
x
(l
p
,1)＝DF...

【专利技术属性】
技术研发人员：安冬，张倩，王赛男，邵萌，须颖，杨奕潇，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：