一种半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法，在机床的B轴上设有电感杠杆测头和砂轮，在机床的C轴上设有待测半球谐振子和/或标准球。方法包括：用第一和第二姿态的电感杠杆测头分别测量标准球的球心坐标得到坐标差ΔC；待测半球谐振子加工完成后，用第一和第二姿态的电感杠杆测头分别测量内外球面目标点坐标后根据坐标差ΔC转换至第一姿态坐标系下，然后计算得到待测半球谐振子同心度；用第一姿态和第二姿态的电感杠杆测头分别测量内外球面轮廓后根据坐标差ΔC转换至第一姿态坐标系下，然后计算得到待测半球谐振子厚度分布。本发明专利技术适应半球谐振子内外球面特性，提高了球面测量精度，实现了非透明球壳的测量。透明球壳的测量。透明球壳的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法


[0001]本专利技术涉及精密和超精密加工
，尤其涉及一种半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法。

技术介绍

[0002]半球谐振陀螺是目前世界上精度最高、稳定性和可靠性最高、寿命最长的惯性敏感器之一，在航天、航空、车辆、船舶等导航领域有着广阔的应用前景。由中心杆锚定的半球谐振子(HRG)是半球谐振陀螺的核心零件，其结构如图1所示，为带有中心支撑杆的半球形薄壁壳体，直径通常为15
‑
40mm，壁厚1～2mm，圆角半径1mm左右。
[0003]半球谐振子的关键部位是内外球面，球面度和同心度要控制精度高。超精密磨削可以提高成型精度，减少机器缺陷。因此，它可以节省后续抛光时间。当使用杯形砂轮生成球面磨削时，内球面和外球面分别需要两个不同的杯形砂轮，这会导致对刀误差。如果使用球头砂轮，砂轮修整或更换也会导致对刀误差。对刀误差会导致内外球的同心度误差。此外，无论采用何种磨削方法，砂轮的磨损都是随着磨削过程而发展的。它将影响内外球体的轮廓和同心度。
[0004]为了表示和补偿磨削的刀具设置和磨损误差，必须在每个磨削循环后测试轮廓和同心度。如果选择离机测量，则会引入二次夹紧误差。在位测量，即加工完成之后不卸下工件而是在加工机床上进行测量，则避免了这个问题，并显着提高了加工效率。
[0005]专利CN112344865A公开了一种半球谐振子壁厚及壁厚均匀性原位测量系统及方法，通过彩色共焦传感器来测量半球谐振子壁厚，彩色共焦传感器测头的角度适应性不好，光轴只能与球面接近法向测量，导致测量范围非常有限。
[0006]专利CN112729159A公开了一种半球谐振子的球面面形检测方法，采用激光干涉仪和抛物面标准镜来进行离线测量，而且搭建成本高，而且只有透明的谐振子才能同时测量内外球面，对表面质量要求高。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题就在于：实现各种表面质量的半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性在位测量，且提高测量精度。
[0008]针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法，采用电感式测头接触测量内外球面，适应内球面的大曲率和深凹特性，球面测量精度为0.1μm级，且统一半球谐振子内外球面测量坐标系，以计算其同心度和厚度均匀性。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0010]一种半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法，应用于在位测量系统，所述在位测量系统包括机床，所述机床的第一主轴沿机床坐标系的X轴直线运动，且
沿机床坐标系的C轴转动，所述机床的第二主轴沿机床坐标系的Z轴运动，且沿机床坐标系的B轴转动，所述第一主轴的C轴上安装有待测半球谐振子和/或标准球，所述第二主轴的B轴上安装有电感杠杆测头和砂轮，所述方法包括以下步骤：
[0011]S1)控制第二主轴将电感杠杆测头分别调整至第一姿态和第二姿态，并用第一姿态和第二姿态的电感杠杆测头分别测量标准球的球心坐标，根据测量结果计算第一姿态坐标系和第二姿态坐标系的坐标差ΔC；
[0012]S2)将待测半球谐振子加工完成后，用第一姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子外球面目标点坐标，用第二姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子内球面目标点坐标后根据坐标差ΔC转换至第一姿态坐标系下，根据第一坐标系下外球面目标点坐标和内球面目标点坐标计算得到待测半球谐振子同心度；
[0013]S3)用第一姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子外球面轮廓，用第二姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子内球面轮廓后根据坐标差ΔC转换至第一姿态坐标系下，将第一坐标系下外球面轮廓和内球面轮廓做差得到待测半球谐振子厚度分布。
[0014]进一步的，步骤S1)包括以下步骤：
[0015]S11)控制第二主轴的B轴转动，使得电感杠杆测头到达第一姿态，控制第一主轴的C轴转动使得标准球的目标经线到达预设位置，控制第一主轴沿机床坐标系X轴移动，并控制第二主轴沿机床坐标系Z轴移动，当第一姿态的电感杠杆测头接触目标经线上的目标点时，得到对应的XZC轴位移作为目标点的第一坐标，并根据第一坐标的集合计算第一姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs1
，z
cs1
)；
[0016]S12)控制第二主轴的B轴转动，使得电感杠杆测头到达第二姿态，控制第一主轴的C轴转动使得标准球的目标经线到达预设位置，控制第一主轴沿机床坐标系X轴移动，并控制第二主轴沿机床坐标系Z轴移动，当第二姿态的电感杠杆测头接触目标经线上的目标点时，得到对应的XZC轴位移作为目标点的第二坐标，并根据第二坐标的集合计算第二姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs2
，z
cs2
)；
[0017]S13)计算第一姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs1
，z
cs1
)与第二姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs2
，z
cs2
)的坐标差，作为第一姿态坐标系和第二姿态坐标系的坐标差ΔC。
[0018]进一步的，步骤S11)和步骤S12)包括根据坐标的集合计算标准球的球心坐标的步骤，具体包括：计算标准球相对于C轴旋转中心线的偏心误差，根据所述偏心误差调整坐标的集合中每个坐标，对所有调整后的坐标用最小二乘法拟合出对应坐标系中标准球的球心坐标。
[0019]进一步的，步骤S2)包括根据坐标差ΔC转换坐标系的步骤，具体包括：将第二姿态坐标系下的坐标Q
j,2
(x
j,2
，z
j,2
)减去坐标差ΔC，得到对应的第一姿态坐标系下的坐标Q
j,1
(x
j,1
，z
j,1
)。
[0020]进一步的，步骤S2)中根据第一坐标系下外球面目标点坐标和内球面目标点坐标计算得到待测半球谐振子同心度具体包括：用最小二乘法对第一坐标系下外球面目标点坐标集合P
i,1
和内球面目标点坐标集合Q
j,1
进行球面拟合，得到待测半球谐振子外球面及内球面的最佳拟合半径和球心位置，根据外球面及内球面的最佳拟合半径和球心位置计算得到待测半球谐振子外球面及内球面同心度。
[0021]进一步的，步骤S3)包括电感杠杆测头测量球面轮廓的步骤，具体包括：
[0022]S31)在球面的目标经线上选定至少两个采样点，对于每个采样点，从当前采样点开始以第一速度沿Z轴方向移动电感杠杆测头至下一采样点附近，然后以第二速度沿X轴方向移动电感杠杆测头靠近下一采样点直到电感杠杆测头示数为零，采集此时X轴及Z轴的位移信号；
[0023]S32)将每个采样点对应的X轴及Z轴的位移信号作为采样点坐标测量值，返回步骤S31)直到所有采样点测量完毕；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法，其特征在于，应用于在位测量系统，所述在位测量系统包括机床(1)，所述机床(1)的第一主轴(11)沿机床坐标系的X轴直线运动，且沿机床坐标系的C轴转动，所述机床(1)的第二主轴(12)沿机床坐标系的Z轴运动，且沿机床坐标系的B轴转动，所述第一主轴(11)的C轴上安装有待测半球谐振子和/或标准球，所述第二主轴(12)的B轴上安装有电感杠杆测头和砂轮，所述方法包括以下步骤：S1)控制第二主轴(12)将电感杠杆测头分别调整至第一姿态和第二姿态，并用第一姿态和第二姿态的电感杠杆测头分别测量标准球的球心坐标，根据测量结果计算第一姿态坐标系和第二姿态坐标系的坐标差ΔC；S2)将待测半球谐振子加工完成后，用第一姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子外球面目标点坐标，用第二姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子内球面目标点坐标后根据坐标差ΔC转换至第一姿态坐标系下，根据第一坐标系下外球面目标点坐标和内球面目标点坐标计算得到待测半球谐振子同心度；S3)用第一姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子外球面轮廓，用第二姿态的电感杠杆测头测量待测半球谐振子内球面轮廓后根据坐标差ΔC转换至第一姿态坐标系下，将第一坐标系下外球面轮廓和内球面轮廓做差得到待测半球谐振子厚度分布。2.根据权利要求1所述的半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法，其特征在于，步骤S1)包括以下步骤：S11)控制第二主轴(12)的B轴转动，使得电感杠杆测头到达第一姿态，控制第一主轴(11)的C轴转动使得标准球的目标经线到达预设位置，控制第一主轴(11)沿机床坐标系X轴移动，并控制第二主轴(12)沿机床坐标系Z轴移动，当第一姿态的电感杠杆测头接触目标经线上的目标点时，得到对应的XZC轴位移作为目标点的第一坐标，并根据第一坐标的集合计算第一姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs1
，z
cs1
)；S12)控制第二主轴(12)的B轴转动，使得电感杠杆测头到达第二姿态，控制第一主轴(11)的C轴转动使得标准球的目标经线到达预设位置，控制第一主轴(11)沿机床坐标系X轴移动，并控制第二主轴(12)沿机床坐标系Z轴移动，当第二姿态的电感杠杆测头接触目标经线上的目标点时，得到对应的XZC轴位移作为目标点的第二坐标，并根据第二坐标的集合计算第二姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs2
，z
cs2
)；S13)计算第一姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs1
，z
cs1
)与第二姿态坐标系下标准球的球心坐标(x
cs2
，z
cs2
)的坐标差，作为第一姿态坐标系和第二姿态坐标系的坐标差ΔC。3.根据权利要求2所述的半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法，其特征在于，步骤S11)和步骤S12)包括根据坐标的集合计算标准球的球心坐标的步骤，具体包括：计算标准球相对于C轴旋转中心线的偏心误差，根据所述偏心误差调整坐标的集合中每个坐标，对所有调整后的坐标用最小二乘法拟合出对应坐标系中标准球的球心坐标。4.根据权利要求1所述的半球谐振子内外球面同心度和厚度均匀性的在位测量方法，其特征在于，步骤S2)包括根据坐标差ΔC转换坐标系的步骤，具体包括：将第二姿态坐标系下的坐标Q
j,2
(x
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【专利技术属性】
技术研发人员：关朝亮，王瑜，戴一帆，陈善勇，许汉威，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：