專利名稱：平面度誤差分離法實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)械量形位誤差測(cè)量領(lǐng)域。
目前對(duì)大尺寸工件的平面度一般利用機(jī)床加工精度來保證。由于受到機(jī)床本身精度的限制，很難達(dá)到很高精度。利用準(zhǔn)直儀，水平儀等傳統(tǒng)方法對(duì)大平面，尤其直徑在φ3M以上的特大平面的平面度測(cè)量極為困難。例如哈爾濱電機(jī)廠研制的φ3.9M鏡板平面度檢查儀就是利用水平儀的測(cè)量方法，檢查儀結(jié)構(gòu)如

圖1所示由支架［1］、扭簧表［2］、合象水平儀［3］、平尺［4］、支承圓柱［5］、拎手［6］組成。此種方法要求避免平尺、檢查儀有局部溫度變化造成變形，搬移或測(cè)量校對(duì)時(shí)必須戴手套，在工作地點(diǎn)等溫后再進(jìn)行調(diào)試。合象水平儀零位必須仔細(xì)校對(duì)，要求支架轉(zhuǎn)180°零位變化極微小。測(cè)量方法是在工作直徑方向上用合象的水平儀的水準(zhǔn)位置判斷工件的凸心或凹心，扭簧表可以讀出徑向直線度凸凹程度。此方法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、精度低、對(duì)測(cè)量工具，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高。不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
為解決上述測(cè)量?jī)x器的不足之處，本實(shí)用新型提出一種新的測(cè)量?jī)x，可在工件加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并能消除因加工運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，機(jī)床本身精度所帶來的誤差，使測(cè)量結(jié)果達(dá)到較高的精度。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出一種平面度誤差分離法實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x，其特征在于采用五個(gè)測(cè)頭同時(shí)測(cè)量，所說的五個(gè)測(cè)頭按兩個(gè)方向排列，同一方向相鄰兩測(cè)頭之間距離相等，并且等于該方向上的測(cè)量間距，以保證各測(cè)頭的測(cè)量點(diǎn)重合。所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)方法處理可消除誤差得到真實(shí)的平面度值。以及用于固定五測(cè)頭的夾具［9］、直流放大器［18］、A／D轉(zhuǎn)換器［19］、光電開關(guān)［21］、放大整形電路［16］、微處理機(jī)［20］等部件組成。測(cè)頭測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器輸入微處理機(jī)，按予先編制的消除誤差程序及平面度計(jì)算程序進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)顯示出結(jié)果。
本實(shí)用新型所說的測(cè)量?jī)x的原理以在立車上加工圓形平面的平面度測(cè)量為例說明如下附圖2為在立車上測(cè)量被加工零件表面平面度的裝置簡(jiǎn)圖，當(dāng)工件［10］表面在立車上磨削完后，取下刀架［7］上的磨具，裝上測(cè)頭夾具［9］。工作臺(tái)［11］帶著工件迴轉(zhuǎn)便可測(cè)量一周，刀架［7］由橫梁［8］導(dǎo)軌帶動(dòng)作徑向進(jìn)給，同時(shí)工作臺(tái)［11］繼續(xù)迴轉(zhuǎn)，這樣就可將整個(gè)平面測(cè)量完。在測(cè)量過程中，刀架移動(dòng)會(huì)使橫梁變形而使測(cè)頭下降而帶來測(cè)量誤差，另外刀架在橫梁導(dǎo)軌面上移動(dòng)，其導(dǎo)軌面上的直線性也會(huì)帶來一定的測(cè)量誤差。工作臺(tái)迴轉(zhuǎn)時(shí)由于迴轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)付的誤差等使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面不在同一平面，也將帶來測(cè)量誤差。這些誤差依靠圖3所示的五個(gè)測(cè)頭予以有效的消除。圖3中的五測(cè)頭是按同半徑與同圓周二個(gè)方向分布，AB、C、D、E表示五測(cè)頭位置，其中測(cè)頭B位于兩個(gè)方向交點(diǎn)上。圓周R1上A、B、C點(diǎn)之間距離為l1，B、D、E點(diǎn)之間距離為l2。刀架運(yùn)動(dòng)誤差及導(dǎo)軌彎曲變形誤差通過B、D、E三個(gè)測(cè)頭分離出來并消除，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面性誤差由A、B、C和B、D、E測(cè)頭分離及消除。下面以刀架運(yùn)動(dòng)誤差及導(dǎo)軌彎曲變形，誤差的分離及消除，建立誤差分離方法的數(shù)學(xué)模型。設(shè)f(xi)為工件表面被測(cè)量點(diǎn)的直線度誤差；g(xi)為測(cè)量架運(yùn)動(dòng)時(shí)偏離理想運(yùn)動(dòng)方向引起的誤差；h(xi)為測(cè)量架在移動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)而引進(jìn)的附加的測(cè)頭讀數(shù)誤差。
設(shè)開始測(cè)量時(shí)，f(x1)＝0 g(x1)＝0 h(x1)＝0三個(gè)測(cè)頭讀數(shù)分別為B(x1)，D(x1)，E(x1)則有B(x1)＝f(x1)－g(x1)D(x1)＝f(x2)－g(x1) (1)E(x1)＝f(x3)－g(x1)移動(dòng)l距離后，則有B(x2)＝f(x2)－g(x2)＋h(x2)D(x2)＝f(x3)－g(x2) (2)E(x2)＝f(x4)－g(x2)－h(huán)(x2)設(shè)測(cè)量架在xi處時(shí)，三個(gè)測(cè)頭讀數(shù)分別為B(xi)，D(xi)，E(xi)，則有B(xi)＝f(xi)－g(xi)＋h(xi)D(xi)＝f(xi＋l)－g(xi) (3)
E(xi)＝f(xi＋2l)－g(xi)－h(huán)(xi)則B(xi)－2D(xi)＋E(xi)＝f(xi＋2l)－2f(xi＋l)＋f(xi)(4)設(shè) S(xi)＝B(xi)－2D(xi)＋E(xi)則有S(xi)＝f(xi)－2f(xi＋l)＋f(xi＋2l) (5)對(duì)于有限的測(cè)量點(diǎn)S(xn)＝f(xn)－2f(xn＋l)＋f(xn＋2l) (6)(1＝0，1，2，……N－1)其中，N為測(cè)量點(diǎn)數(shù)，將上式進(jìn)行付氏變換，且注意時(shí)移性質(zhì)，得Fs(n)=Ff(n)-2Ff(n)ej2πN·nl(N-1)L+Ff(n)ej2πNn2l(N-1)L(7)]]>L為測(cè)量全長(zhǎng)。(7)j＝－1]]>∵L＝(N－1)l
Fs(n)=Ff(n)[1-2ej2πnN+ej4πnN]---(8)]]>H(n)=1-2ej2πnN+ej4πnN(9)]]>則Ff(n)＝Fs(n)／H(n) (10)由離散付氏變換頻譜計(jì)算公式Fs=(n)=Σi=0N-1s(xi)e-j2πnN(1)]]>由公式(9)和(11)求Fs(n)、H(n)后，即可確定Ff(n)，故得f(xn)=F-1{Ff(n)}=1NΣK-1N-1F(k)ej2πN·n·k(12)]]>由公式(12)不難看出，刀架移動(dòng)誤差及刀架轉(zhuǎn)動(dòng)引起的測(cè)量誤差被消除了。用同樣的方法處理，可以消除工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面的誤差。
這種儀器也適用對(duì)矩形平面平面度測(cè)量，其測(cè)頭按圖4分布，即按縱向與橫向二個(gè)方向分布，A、B、C、D、E為五測(cè)點(diǎn)的位置，A、B、C之間距離為l1，A、D、E之間距離為l2，其中A測(cè)點(diǎn)位于該兩個(gè)方向的交點(diǎn)上。
利用此儀器還可以作為直線度測(cè)量，只需三個(gè)測(cè)頭，等距分布在一條直線上，且測(cè)量間距與測(cè)頭間距相等。
本實(shí)用新型特別適用大平面及特大平面的平面度測(cè)量，由于有效地消除了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面誤差及支承測(cè)頭的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差，從而大大提高了測(cè)量精度，并且穩(wěn)定可靠。配以微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量。
附圖簡(jiǎn)要說明圖1為已有技術(shù)平面度檢查儀結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型平面度測(cè)量?jī)x使用示意圖圖3為本實(shí)用新型五測(cè)頭分布圖(一)圖4為本實(shí)用新型五測(cè)頭分布圖(二)圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例總體方案圖圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例測(cè)量點(diǎn)分布示意圖圖7為本實(shí)用新型采用的定時(shí)采樣程序框圖圖8為本實(shí)用新型采用的平面度計(jì)算程序框圖其中［1］支架；［2］0.001扭簧表；［3］合象水平儀［4］平尺；［5］支承圓柱；［6］拎手；［7］刀架；［8］橫梁；［9］測(cè)頭夾具；［10］工件；［11］工作臺(tái)；［12］手輪；［13］光欄；［14］光源；［15］光電工件；［16］放大整形電路；［17］電感測(cè)微儀；［18］直流放大器；［19］A／D轉(zhuǎn)換器；［20］微處理機(jī)；［21］光電開關(guān)；本實(shí)用新型的一種實(shí)施例是為測(cè)量幾十萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)組的φ6M鏡板而設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x。圖6為總體結(jié)構(gòu)框圖，其中測(cè)頭選用接觸式電感傳感器，五測(cè)頭固定在一個(gè)夾具［9］上，測(cè)頭分步如圖3所示，其中R1為2950mm，l1為140mm，l2為110mm，使用狀態(tài)如圖2所示，夾具［9］固定在立車的刀架［7］上，可隨刀架沿橫梁［8］水平方向移動(dòng)。被測(cè)工件［10］放在立車的圓工作臺(tái)［11］上，可與工作臺(tái)沿中心軸旋轉(zhuǎn)。工件外側(cè)固定一光欄［13］，光欄上方裝有一光源［14］，光欄下方裝有一光電元件［15］，光欄、光源、光電元件組成光電開關(guān)［21］，光電開關(guān)通過放大整形電路［22］與A／D轉(zhuǎn)換器［19］及微處理機(jī)［20］連接。電感測(cè)頭與電感測(cè)微儀［17］連接經(jīng)直流放大器［18］、A／D轉(zhuǎn)換器［19］與微處理機(jī)［20］連接。測(cè)量步驟如下①移動(dòng)刀架使測(cè)頭B的中心線到工作臺(tái)迴轉(zhuǎn)中心的距離等于R1。②使刀架下降，讓測(cè)頭與工件表面接觸，微調(diào)各測(cè)頭使讀數(shù)為零，并與夾具鎖緊，保持刀架高度在整個(gè)測(cè)量中不變。③啟動(dòng)微處理機(jī)，并讓工作臺(tái)以ω速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)光欄轉(zhuǎn)到光源與光電元件之間，截?cái)喙鈺r(shí)，光電元件發(fā)出脈沖，使微處理機(jī)開始采樣，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，光欄又轉(zhuǎn)到光源與光電元件之間，光電元件再發(fā)出一個(gè)脈沖，使計(jì)算機(jī)停止采樣，此時(shí)第一圈測(cè)點(diǎn)采樣完畢。人工旋轉(zhuǎn)橫向?qū)к壥州啠沟都芑剞D(zhuǎn)中心移動(dòng)l2距離，即R2＝R1－l2，然后等待光電開關(guān)再發(fā)出一個(gè)脈沖使計(jì)算機(jī)開始第二圈采樣，同樣刀架再移動(dòng)l2距離，再進(jìn)行第三圈采樣，直到把整個(gè)表面測(cè)完為止，測(cè)量點(diǎn)如圖6所示分布。④測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過直流放大器、A／D轉(zhuǎn)換器輸入微處理機(jī)，用數(shù)據(jù)處理的方法消除工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差與刀架沿徑向移動(dòng)時(shí)的直線性誤差，能迅速得到工件的真實(shí)平面度值，且能把工作的表面形狀給出。定時(shí)采樣程序框圖及平面度計(jì)算程序框圖如圖7、圖8所示，圖7中L為定時(shí)循環(huán)次數(shù)；I為測(cè)量圈數(shù)；G為兩次采樣之間循環(huán)次數(shù)(即相當(dāng)于兩次采樣之間間隔時(shí)間)，CH12為光電信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)通道號(hào)；CH13、CH4、CH6、CH14、CH5為5個(gè)測(cè)頭輸出信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)通道號(hào)；J為每圈測(cè)量點(diǎn)數(shù)；I0為予置的總的測(cè)量圈數(shù)；K、P、P0、I0為給定參數(shù)。圖8中M、N為測(cè)量點(diǎn)數(shù)；ε1ε2設(shè)定搜索精度指標(biāo)；Z(I、J)為被測(cè)點(diǎn)的高低值；a、b為搜索區(qū)間；fafb為特定變量。該實(shí)施例的測(cè)量精度可小于2μM，重復(fù)精度0.6μM。
權(quán)利要求1.一種平面度誤差分離法實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x，其特征在于采用五個(gè)測(cè)頭同時(shí)測(cè)量，所說的五個(gè)測(cè)頭按兩個(gè)方向排列，同一方向相鄰兩測(cè)頭之間距離相等并且等于該方向上的測(cè)量間距，還包括固定測(cè)頭的夾具[9]，直流放大器[18]，A/D轉(zhuǎn)換器[19]，光電開關(guān)[21]，放大整形電路[16]微處理機(jī)[20]所組成。
2.如權(quán)利要求1所述的平面度誤差分離法實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x，其特征在于所說的五個(gè)測(cè)頭是按同半徑與同圓周二個(gè)方向分布，其中一測(cè)頭位于兩個(gè)方向交點(diǎn)上。
3.如權(quán)利要求1所述的平面度誤差分離法實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x，其特征在于所說的五個(gè)測(cè)頭是按縱向與橫向二個(gè)方向分布，其中一測(cè)點(diǎn)位于兩個(gè)方向的交點(diǎn)上。
4.一種直線度誤差分離法實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x，其特征在于采用三個(gè)測(cè)頭同時(shí)測(cè)量，所說的三個(gè)測(cè)頭等距分布在一條直線上，且測(cè)量間距與測(cè)頭間距相等。
專利摘要一種平面度誤差分離法實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x，屬于機(jī)械量形位誤差測(cè)量領(lǐng)域。本實(shí)用新型為高精度大平面平面測(cè)量提供一種有效的、可行的新方法，這種儀器用五個(gè)傳感器按特殊分布，可以有效的分離出工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面的誤差及支承測(cè)頭導(dǎo)軌形位誤差及彎曲變形誤差，所測(cè)數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)用數(shù)據(jù)處理方法能迅速得到工件的平面度值，且能把工件的表面形狀給出，從而大大提高了測(cè)量精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B21/30GK2036658SQ8821525
公開日1989年4月26日 申請(qǐng)日期1988年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月27日
發(fā)明者梁晉文, 何真, 劉興占 申請(qǐng)人:清華大學(xué)