一種高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法技術

本發明專利技術公開了一種高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，應用于在位測量系統，方法包括以下步驟：建立絕對坐標系和測量坐標系；獲取高精度芯軸的目標截面的傳感器采樣數據，從傳感器采樣數據中剔除零次諧波分量；使用剔除零次諧波分量后的傳感器數據分別計算目標截面的最小二乘圓心和平均半徑；根據最小二乘圓心和平均半徑計算目標截面的表面各點在測量坐標系中的坐標，根據測量坐標系與絕對坐標系的轉換關系，將目標截面的表面各點的坐標從測量坐標系轉換到絕對坐標系中；將所有目標截面擬合得到重構的高精度芯軸圓柱形貌。本發明專利技術利用三個傳感器消除調零誤差、測量系統的直線運動誤差對誤差分離精度的影響，提升了高精度芯軸圓柱形貌重構的精度。芯軸圓柱形貌重構的精度。芯軸圓柱形貌重構的精度。

【技術實現步驟摘要】
一種高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法


[0001]本專利技術涉及精密軸系測量技術，尤其涉及一種高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法。

技術介紹

[0002]高精度芯軸是以超精密主軸芯軸為代表的，對面形精度要求非常高的一類圓柱形工件。高精度芯軸的工件尺寸一般較小，但面形精度要求很高，加工工藝復雜。當前高精度芯軸精度的保證主要包括三種方式：
[0003]一是通過機床自身的幾何精度來保證的一次加工方法，但該方法所使用的機床價格昂貴，工作環境要求高，高精度芯軸的一次加工往往不能直接達到所需要的面形精度，需要反復的測量和迭代加工以提高加工的精度；
[0004]二是通過離位測量與補償加工來保證，該方法會引入二次裝夾誤差、加工效率低下。若在不同的環境下進行離位測量，其測量結果會受到環境的影響，降低補償加工的效果；
[0005]三是通過在位測量與補償加工來保證。在位測量一般基于圓柱度誤差分離技術實現，主要包括三點法、四點法和五點法等?，F有的四點法、五點法等結構復雜，受傳感器自身尺寸的影響，不適合進行小尺寸、高精度的芯軸工件的在位測量?，F有的三點法沒有考慮傳感器調零誤差的影響，其誤差分離不徹底。
[0006]精確地測量是補償加工的基礎。只有在準確得知芯軸的圓柱形貌地情況下，才能知道圓柱表面輪廓的高低起伏分布以進行準確的補償加工，從而減小迭代的次數，提高加工的效率。
[0007]現有技術中，專利CN112666892A公開了一種基于混合四點法的軸系測量裝置及軸系廓形在線重構方法，通過定向等距的移動固定架，對待測軸的軸向多個截面進行改進的四點誤差分離技術，提取每個被測截面中心的相對變化量，然后根據各個截面的中心位置擬合空間中線，并以萃取的空間中線作為基準軸線將各個截面分離的圓度誤差組合到軸線上，進而實現回轉軸系的輪廓重構，再進一步的進行形狀誤差評定。該方案存在以下問題：
[0008]首先該方法沒有考慮傳感器調零誤差對誤差分離的影響，因此誤差分離的精度不能得到保證；
[0009]其次，該方法在重構空間中線時，使用各個截面圓的中心直接進行擬合。并未考慮到測量系統沿導軌的直線運動誤差對各個截面圓的中心的影響。實際上，該方法中各個截面圓的中心是在不同的測量坐標系中進行計算的，由于測量系統沿導軌的直線運動誤差的存在，導致各個截面的測量坐標系之間存在偏差。因此，直接使用各個截面圓的中心進行擬合會引入導軌的直線運動誤差。為提高誤差分離精度，應當將各個截面圓的中心統一到絕對坐標系中，再進行空間中線的擬合；
[0010]再次，該方法在使用三點法時，傳感器分別放置在圓周的0
°
、60
°
和120
°
位置上。該角度的選擇在理論上雖然符合三點法圓度測量的原理，但會導致諧波抑制問題(導致圓度
誤差分離時部分階次的諧波被抑制)，同樣不能保證誤差的分離精度，無法實現高精度芯軸(如：圓柱度為亞微米量級的高精度芯軸)的面形測量；
[0011]最后，該方法使用軸向兩點法獲取徑向誤差分離結果的一次諧波分量。雖然可以分離軸系的傾斜誤差，但是對于軸系運動的全部6項幾何誤差(徑向跳動誤差2項、軸向跳動誤差1項、傾角誤差2項、角度定位誤差1項)，在超精密加工及在位測量與補償中，基于超精密主軸的性能，除徑向誤差以外的幾何誤差對面形加工精度的影響均為小量，考慮其他誤差不僅會增加數據采集裝置的復雜性，還會引入更大的系統誤差，導致測試系統不能完成對小尺寸工件的高精度測量。

技術實現思路

[0012]本專利技術要解決的技術問題：針對現有技術的上述問題，提供一種高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，只需要考慮徑向誤差對面形加工精度的影響，利用三個傳感器消除調零誤差、測量系統的直線運動誤差對誤差分離精度的影響，提升高精度芯軸圓柱形貌重構的精度。
[0013]為了解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：
[0014]一種高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，應用于在位測量系統，所述在位測量系統包括車床主軸和測量架，所述車床主軸上安裝有高精度芯軸，所述測量架上沿高精度芯軸同一截面的周向間隙布置有三個傳感器，所述方法包括以下步驟：
[0015]S1)以車床主軸旋轉軸線的平均線與車床主軸端面的交點為原點建立絕對坐標系，以三個傳感器的軸線交點為原點建立測量坐標系；
[0016]S2)獲取高精度芯軸的目標截面的傳感器采樣數據，從傳感器采樣數據中剔除零次諧波分量；
[0017]S3)使用剔除零次諧波分量后的傳感器數據分別計算目標截面的最小二乘圓心和平均半徑；
[0018]S4)根據最小二乘圓心和平均半徑計算目標截面的表面各點在測量坐標系中的坐標，根據測量坐標系與絕對坐標系的轉換關系，將目標截面的表面各點的坐標從測量坐標系轉換到絕對坐標系中，消除測量系統直線運動誤差的影響；
[0019]S5)將所有目標截面擬合得到重構的高精度芯軸圓柱形貌。
[0020]進一步的，步驟S2中獲取高精度芯軸的目標截面的傳感器采樣數據之后，還包括：
[0021]使用三點圓度誤差分離法，計算目標截面的三個傳感器采樣數據的加權和r
j
(i)；
[0022]將加權和r
j
(i)展開為傅里葉級數；
[0023]求解加權和r
j
(i)與加權和r
j
(i)的傅里葉級數，得到目標截面的圓度誤差R
2j
(i)。
[0024]進一步的，目標截面的圓度誤差R
2j
(i)的表達式如下：
[0025][0026]其中，j為目標截面的編號，i為目標截面上采樣點的編號，A
kj
和B
kj
分別表示目標截面的圓度誤差的正弦和余弦傅里葉系數，N為目標截面上一圈的采樣點數。
[0027]進一步的，步驟S3中使用剔除零次諧波分量后的傳感器數據計算目標截面的截面最小二乘圓心時，包括：根據剔除零次諧波分量后的傳感器數據分別計算目標截面的一階
余弦傅里葉系數A
1j
和一階正弦傅里葉系數B
1j
，將一階余弦傅里葉系數A
1j
的值作為目標截面的最小二乘圓心在測量坐標系中的X
j
軸坐標值，將一階正弦傅里葉系數B
1j
的值作為目標截面的最小二乘圓心在測量坐標系中的Y
j
軸坐標值。
[0028]進一步的，所述目標截面的一階余弦傅里葉系數A
1j
和一階正弦傅里葉系數B
1j
的表達式如下：
[0029][0030][0031]其中，j為目標截面的編號，i為目標截面上采樣點的編號，g
1j
(i)＝r
’
Aj
(i)
?
R
2j
(i)，r
’
Aj
(i)為剔除零本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，其特征在于，所述方法應用于在位測量系統，所述在位測量系統包括車床主軸(1)和測量架(2)，所述車床主軸(1)上安裝有高精度芯軸，所述測量架(2)上沿高精度芯軸同一截面的周向間隙布置有三個傳感器，所述方法包括以下步驟：S1)以車床主軸(1)旋轉軸線的平均線與車床主軸(1)端面的交點為原點建立絕對坐標系，以三個傳感器的軸線交點為原點建立測量坐標系；S2)獲取高精度芯軸的目標截面的傳感器采樣數據，從傳感器采樣數據中剔除零次諧波分量；S3)使用剔除零次諧波分量后的傳感器數據分別計算目標截面的最小二乘圓心和平均半徑；S4)根據最小二乘圓心和平均半徑計算目標截面的表面各點在測量坐標系中的坐標，根據測量坐標系與絕對坐標系的轉換關系，將目標截面的表面各點的坐標從測量坐標系轉換到絕對坐標系中，消除測量系統直線運動誤差的影響；S5)將所有目標截面擬合得到重構的高精度芯軸圓柱形貌。2.根據權利要求1所述的高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，其特征在于，步驟S2中獲取高精度芯軸的目標截面的傳感器采樣數據之后，還包括：使用三點圓度誤差分離法，計算目標截面的三個傳感器采樣數據的加權和r
j
(i)；將加權和r
j
(i)展開為傅里葉級數；求解加權和r
j
(i)與加權和r
j
(i)的傅里葉級數，得到目標截面的圓度誤差R
2j
(i)。3.根據權利要求2所述的高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，其特征在于，目標截面的圓度誤差R
2j
(i)的表達式如下：其中，j為目標截面的編號，i為目標截面上采樣點的編號，A
kj
和B
kj
分別表示目標截面的圓度誤差的正弦和余弦傅里葉系數，N為目標截面上一圈的采樣點數。4.根據權利要求1所述的高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，其特征在于，步驟S3中使用剔除零次諧波分量后的傳感器數據計算目標截面的截面最小二乘圓心時，包括：根據剔除零次諧波分量后的傳感器數據分別計算目標截面的一階余弦傅里葉系數A
1j
和一階正弦傅里葉系數B
1j
，將一階余弦傅里葉系數A
1j
的值作為目標截面的最小二乘圓心在測量坐標系中的X
j
軸坐標值，將一階正弦傅里葉系數B
1j
的值作為目標截面的最小二乘圓心在測量坐標系中的Y
j
軸坐標值。5.根據權利要求4所述的高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，其特征在于，所述目標截面的一階余弦傅里葉系數A
1j
和一階正弦傅里葉系數B
1j
的表達式如下：的表達式如下：其中，j為目標截面的編號，i為目標截面上采樣點的編號，g
1j
(i)＝r'
Aj
(i)
?
R
2j
(i)，
r'
Aj
(i)為剔除零次諧波分量后的傳感器A的數據，R
2j
(i)為目標截面的圓度誤差，r'
Cj
(i)為剔除零次諧波分量后的傳感器C的數據，R
2j
(i+m2)為下一周期的目標截面的圓度誤差，ψ為傳感器A與傳感器C之間的角度，m2為傳感器A與傳感器C之間的角度ψ所覆蓋的采樣點，N為目標截面上一圈的采樣點數。6.根據權利要求1所述的高精度芯軸圓柱形貌在位測量與重構方法，其特征在于，步驟S3中使用剔除零次諧波分量后的傳感器數據計算目標截面的平均半徑時，包括：根據剔除零次諧波分量后的傳感器數據以及目標截面的最小二乘圓心坐標值計算目標截面的徑向誤差S
j
(i)在測量坐標系中X
j
軸的分量S
jx
(i)和Y
j
軸的分量S
jy
(i)；計算分量S
jx
(i)和分量S
jy
(i)的矢量和，得到目標截面的徑向誤差S
j
(i)；根據目標傳感器的原始采集數據、目標截面的徑向誤差S
j
(i)、目標截面的最小二乘圓心坐標值計算目標截面的平均半徑。7.根據權利要求6所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：戴一帆，許漢威，關朝亮，胡皓，孫梓洲，
申請(專利權)人：湖南先進技術研究院，
類型：發明
國別省市：