考虑空间姿态误差的多步法圆度分离系统的误差测量方法

本发明涉及考虑空间姿态误差的多步法圆度分离系统的误差测量方法，属于超精密几何量测量。

背景技术：

1、随着航空发动机转子、超精密轴承、惯性导航器件、高端光学元件以及精密回转机械等领域的发展，对圆度测量精度提出了越来越高的要求。对于纳米级圆度测量任务，传统依赖高精度主轴的测量方式已难以满足测量需求，因此误差分离技术逐渐成为超精密圆度测量的重要技术手段。

2、多步法圆度误差分离技术通过误差分离台实现被测圆轮廓相对于主轴的精确转位，在频域中引入相位差，从而实现被测圆轮廓误差与主轴回转误差的分离。该方法具有结构简单、测量精度高等优点，已广泛应用于超精密圆度测量领域。

3、然而现有多步法理论模型通常建立在理想测量条件下，即假设工件安装准确、误差分离台定位理想、传感器测量方向正确且测量截面与理想测量平面完全重合。实际测量过程中，上述条件难以满足。除工件偏心、误差分离台偏心、测头偏移及测球半径等平面误差外，误差分离台安装误差、工件装调误差、轴系轴向窜动以及测量高度定位误差等因素还会导致被测圆轮廓测量截面偏离理想测量平面，从而形成空间姿态误差。

4、空间姿态误差将改变测量截面的实际位置与法向方向，使得不同空间位置处的几何形貌误差被映射至测量信号中。当测量精度达到纳米量级时，此类误差对最终圆度评定结果的影响已不可忽略。然而现有研究大多仅针对平面误差进行建模分析，缺乏同时考虑平面几何误差、传感器误差及空间姿态误差的统一测量模型，难以全面揭示多源误差的耦合作用机理。

技术实现思路

1、本发明为解决现有多步法圆度误差分离模型难以描述空间姿态误差影响的问题，进而提出考虑空间姿态误差的多步法圆度分离系统的误差测量方法。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括以下步骤：

3、步骤1：根据多步法圆度误差分离系统的误差传递路径，将系统误差划分为平面几何误差、传感器误差以及空间姿态误差；

4、步骤2：计算平面几何误差、传感器误差以及空间姿态误差并建立六源误差圆轮廓测量模型，基于六源误差圆轮廓测量模型实现多步法圆度误差分离系统中平面几何误差、传感器误差及空间姿态误差的多源误差测量。

5、进一步的，步骤1具体包括：

6、根据被测圆轮廓中心相对于误差分离台中心的位置偏差，确定平面几何误差；

7、根据传感器测头偏移量及测球半径，确定传感器误差；

8、根据测量截面相对于理想测量平面的空间位置偏差，确定空间姿态误差。

9、进一步的，步骤2中平面几何误差的计算具体包括：

10、建立多步法圆度分离系统中误差分析台和精密回转主轴在平面几何误差条件下的圆轮廓测量模型，精密回转主轴的回转中心记为

o，误差分离台中心记为

o，转位前被测圆轮廓中心记为

o1。设被测圆轮廓相对于误差分离台中心存在偏心量

e，对应偏心角为

φ1，第

m(

m=1,2,…,

m)转位处被测圆轮廓中心为

om处，其相对于误差分离台中心

o的偏心角变为

φm，误差分离台相对于主轴回转中心的偏心量

e，对应偏心角为

γ；

11、根据被测圆轮廓相对于误差分离台中心的偏心量及偏心角，以及误差分离台中心相对于主轴回转中心的偏心量及偏心角，建立平面几何误差条件下的圆轮廓测量方程，其中被测圆轮廓偏心方向随着精密回转主轴的转位角变化发生旋转，在被测信号中形成周期变化，

12、圆轮廓测量方程为：

13、（1）；

14、公式（1）中，为测头到测量回转中心的距离，为被测圆轮廓拟合圆半径，为被测圆轮廓加工误差，为采样角度，为精密回转主轴旋转前后主轴回转中心

o和第

m转位处被测圆轮廓中心

om之间的偏移量，为精密回转主轴旋转前后主轴回转中心

o和第

m转位处被测圆轮廓中心

om之间的偏移角度，其计算公式为：

15、（2）。

16、进一步的，传感器误差的计算具体包括：

17、根据传感器测头偏移量及测球半径，在平面几何误差条件下的圆轮廓测量方程中引入传感器测量中心偏移及测球接触点位置变化，建立包含传感器误差的圆轮廓测量方程；

18、包含传感器误差的圆轮廓测量方程为：

19、（3）；

20、公式（3）中，

r为传感器测球半径，为精密回转主轴旋转前后，经过传感器测量的主轴回转中心

o和第

m转位处被测圆轮廓中心之间的偏移量，为精密回转主轴旋转前后主轴回转中心

o和第

m转位处被测圆轮廓中心

om之间的偏移角度，其计算公式为：

21、（4）。

22、进一步的，步骤2中根据平面几何误差条件下的圆轮廓测量方程中的平面几何误差参数，以及包含传感器误差的圆轮廓测量方程中的传感器误差参数，建立平面几何误差与传感器误差耦合条件下的多步圆度误差分离测量模型。

23、进一步的，六源误差圆轮廓测量模型的建立，包括：

24、在平面几何误差与传感器误差耦合条件下的多步圆度误差分离测量模型的基础上，建立误差分离台、理想被测圆廓和实际被测圆廓之间的空间几何关系，其中空间几何关系包括：设被测工件的理想测量截面圆心记为

q，实际测量截面圆心记为

q。设主轴回转轴线为

l，误差分离台回转轴线为

l，被测工件中心轴线为

l1。为便于分析，将三条轴线与误差分离台台面的交点分别记为

p、

p、

p1。在该平面内，被测圆轮廓中心

p1相对于误差分离台中心

p存在偏心，其偏心量为

e，对应偏心角为

φ1，轴系轴向误差为

zi及倾斜角为

θ；

25、根据空间几何关系沿回转轴线方向投影至水平参考平面

γ，得到对应的投影点

o、

o、

o1，点

o、

o、

o1分别表示主轴回转中心、误差分离台回转中心以及被测圆轮廓中心的投影位置，根据被测圆轮廓截面法向量相对于主轴回转轴线的倾斜角，建立倾斜误差条件下的空间几何关系模型，根据轴向偏移量与倾斜角，建立轴向误差与倾斜误差耦合作用下的空间姿态误差模型；

26、综合考虑偏心误差、测头偏移误差、测头结构误差、倾斜误差以及轴向误差等多源误差耦合作用的基础上，建立统一的六源误差圆轮廓测量模型；

27、（5）；

28、公式（5）中，（6）。

29、本发明的有益效果是：

30、本发明实现了工件偏心误差、误差分离台偏心误差、测头偏移误差、测球半径误差、倾斜误差以及轴向误差等六类误差源的统一建模。揭示了空间姿态误差对圆轮廓测量结果的影响机理，分析了倾斜误差及轴向误差与平面误差之间的耦合作用规律。在此基础上建立各误差参数与圆度评定结果之间的映射关系，为多步法圆度误差分离系统装调过程中的倾斜控制、轴向误差控制以及测量截面选取提供指导依据。本发明能够确定满足不同测量精度要求时各误差参数的合理控制范围，为超精密圆度测量系统误差预算及精度设计提供理论支撑。