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回转体测量机的双向法在线温度误差补偿

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  • 发布时间:2014-12-16
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回转类零件作为制造业中的关键零件被广泛应用于工业、航空、航天、国防等各领域中,使用回转体测量机可以对回转类零件进行高精度高效率的测量L1 j。回转体测量机即柱坐标系测量机,由回转工作台和若干测量架组成。工件安装在回转工作台上,由夹具夹紧定心,并由回转工作台带动连续转动。测量架上装有若干测头,用于测量工件内外表面的轴向和径向尺寸、形状等。在测量过程中,工件连续转动,内外测头上下移动,便可以完成对工件的全部测量,测量效率相比普通三坐标测量机大幅提高。

但是,回转体测量机作为三坐标测量机的演变,测量精度也受温度影响极大,由于温度等引起的漂移误差可达 120 gm。温度误差补偿是保证回转体测量机在线检测的关键,克服温度变化对测量精度的影响成收稿日期:2012-07-20; 收到修改稿日期:2012-10-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(51 105272)作者简介:李杏华(1976-),男(汉族),天津人。副教授,博士,主要研究工作是测试信息处理技术、机器视觉。E-mail:redstring###163.COWl。

http://第40卷第1期 李杏华,等:回转体测量机的双向法在线温度误差补偿 95了亟待解决的问题。

处理机床或三坐标测量机的热变形误差的传统方法是通过建立在线温度-误差数学模型j- ,即设置温度采集节点,实时采集与测头偏移相关的温度信息,计算出测头的偏移量,然后算出零件的误差来进行误差补偿〃立温度误差数学模型的方法经过多年的发展和计算机性能的提高,取得了较大发展。

但是温度场误差数学模型的建立是-个繁琐的过程,虽然理论上可行,但在实践应用中较为麻烦。为此,根据测量机和被测工件的结构特点,研究-种新的简单易实现的在线温度误差补偿技术和方法,具有重要的理论意义和实用价值。

本文对回转体测量机进行研究,结果发现回转体测量机热变形主要表现为平移和倾斜,根据这-特点,提出双向法温度误差补偿方法,建立温度误差模型,实现回转体测量机的在线温度误差补偿,提高了测量精度,能较好地在复杂的车间环境中使用。

1 测量机结构变形情况深入分析测量机热变形的表现形式,有利于正确建立起获取误差补偿数据的方法和技术,是分析温度误差补偿模型和提高补偿精度的前提。由于测量机有较高的刚度,热变形误差主要是简单变形 J,即只有伸缩变形。在简单热变形的情况下,测量机没有弯曲或扭转变形,所以回转体测量机热变形主要表现为测量架的平移与倾斜,如图 1所示。如果能获得测量架相对测量基准的平移量 ,以及测头沿工件母线的运动直线相对于回转轴线的倾斜角 ,可得到如式(1)直径补偿公式:Ad2(a2· ) (1)式中:Ad为直径误差,z为被测截面相对基面的高度。

所以,在测量的过程中,只要能实时检测出平移量 和倾斜角 的值,便能知道任意高度的偏移量,从而对测量结果进行实时补偿。

图 1 测量架结构变形示意图Fig.1 Sketch ofbidirectional meas ement2 双向法温度误差补偿技术原理为了能实时检测出回转体测量架的平移量Or"和倾斜角 的值,如果能得到在两个不同高度处的直径误差 Adl和 △ 。由式(2),就可以得到 和 的值。

IAd12(azl· )1Ad22( z2. ) (2)式中:Ad1、A 为不同位置的两个直径误差,z1、Z2为被测截面相对基面的两个不同高度。

http:ll96 光电工程 2013年 1月假设夹具与被测工件的热变形几乎-致,将夹具的内外径预先标定出来作为测量工件的参考值,则可- 定程度上消除温度对被测工件的尺寸影响。所以夹具的内外径可以作为测量基准,以确定测量架下端的偏移量。但是上端难以找到尺寸不变的基准,双向测量法可以解决上端没有测量基准的问题。

2.1双向测量法双向法测量如图2所示,内测主轴在左右两边均有-个测头,可以从左右两边分别测得零件的内径值。

从左右两边进行孔径测量可以由许多方法实现 J。例如,可以利用两个反向对接的小型测头;采用-种推让式机构,它可以与-般的商品单向测头相结合,实现双向测量;利用测头回转体将测头 180。转位,实现双向测量。

(a)Measured in the right (b)Measured in the left图2 双向测量法示意图Fig.2 Sketch ofbidirectional measurement2.2内径测量的温度误差补偿方法将固紧工件用的夹具内径作为基准,如图 3(a)所示,然后再根据实时测量得到的值,可以确定内测量架下端的偏移 1。

在回转体测量机中,只知道光栅尺和测头的读数是不能确定工件的尺寸,还需要知道测头的零位(光栅尺与测头读数均为零时的测端位置)与回转工作台轴线的相对位置,这可以在测量前进行标定得到。假设内左测头的零位与回转工作台轴线的相对位置为 。ft,内右测头的零位与回转工作台轴线的相对位置为 Tright,测量内径时内左测头的读数为 Qleft,内右测头的读数为 ght,那么通过内左测头得到内径值 。 rl。 -Q。 ,通过内右测头得到内径值 ght Q嘞 。

由于上端没有测量基准,所以对于上端的偏移量,可以根据回转体测量机的结构特点采用双向测量法实时检测出来。我们假设测量时由于热变形使得测量机内测轴向左移 ,则右测头读数 Qn ht增加 2,从而使测量的孔径增加 ,左测头读数 Ql。fc增加 ,测量的孔径减少 ,两者相减可以得到 262,这样便可以计算得到内测轴在高处的偏移量 。如图 3(b)所示。

(a)Measured in the boaom (b)Measm图 3 内径补偿模型Fig.3 Error compensation model ofinner diameterhttp://www.gdgc.ac。cFi98 光电工程 2013年 1月式中△ ~ 为外测直径的误差。

3 实验结果分析应用上述温度误差补偿方法对-台回转体测量机在不同时刻不同温度测得的数据进行补偿验证,所测量的工件是外径约为 300 mrfl,高度约为 2 m的回转体零件。表 1和表 2是测量内外径的结果,前 4次数据是上午测量的,后 4次数据是下午测量的。

由于车间环境的开放性,难以将温度控制在 20C,上午和下午的温度明显有温差,且温差将近 5 0C,测量机产生了较大的热变形,所以前 5次数据和后 3次数据有明显的差别。

将测量数据进行温度误差补偿,经实时检测,可得平移参数 和偏转参数 随时间变化,也就是说随温度实时变化,如图 5和图6所示。

Numbers- 兮- axl0。/mm -日-fl10- /rad图5 内径的补偿参数Fig.5 The ofset and tile parameters ofthe inner diam eter;- 。 。 。 。睁:e: 5-6 7-- - ×10。 /mm -E fllO。 /rad图6 外径的补偿参数Fig.6 The ofset and tile parameters ofthe outer diameter通过实时检测出的平移和偏转参数,进而对测量结果进行补偿,使得稳定性变好(由于工件的尺寸存在误差,这里采用测量数据的最大最小值之差作为重复性误差,来衡量测量数据的稳定性)。由表 1和表 2可知,内径 287.5 mm的测量结果,未经补偿的数据重复性误差为0.136 mil,经过补偿后,降低到 0.017 InlTl,测量稳定性提高了 0.1 19 mm。同样,外径 3003 mlTl的测量结果经过补偿后也改善了不少,数据重复性误差由0.101 mlTl降低到 0.015 mlTl,测量稳定性提高了 0.086 rnln。其他尺寸数据不在此列出,经过实时温度误差补偿后,测量数据的稳定性均可保持在 1 5 pm左右。

表 1 内径 287.5的测量结果Table 1 Th e measurements of inner diameter of 287.5 innl4 结 论为了避免设置较多的温度采集节点以及复杂的温度-误差模型,降低计算量,本文根据回转体测量机及回转类零件的特点,提出了双向法温度误差补偿模型,实时计算出不同温度条件下平移量研口倾斜量 ,http://∞ 0昼霉墨 oJ∞o譬-8 6 4 2 O S 量 .I§口第4O卷第 1期 李杏华,等:回转体测量机的双向法在线温度误差补偿 99进而计算出直径误差。该方法计算简单,使用方便。通过本方法,在不同条件不同温度下,对回转体测量机的测量结果进行实时温度误差补偿,提高了测量稳定性。经实验验证,测量的稳定性误差从 136 Ftm降到 15 pm左右,因此具有良好的应用前景。

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