關(guān)節(jié)軸承球面尺寸檢測(cè)儀誤差修正法

0總結(jié)專用設(shè)備是測(cè)量各種特定幾何參數(shù)的設(shè)備。1軸承安裝尺寸測(cè)試1.1滑動(dòng)截面的測(cè)量關(guān)節(jié)軸承由內(nèi)外圈組成,如圖1所示,由內(nèi)外圈組成的滑動(dòng)球面摩擦副的形狀會(huì)直接影響關(guān)節(jié)軸承各方面的工作性能,因此,球面半徑r、球心位置S等與形狀相關(guān)參量的高精度測(cè)量十分重要1.2旋轉(zhuǎn)軸線測(cè)距為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量,儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證:安裝基面垂直于旋轉(zhuǎn)軸線,激光光軸垂直于一維平移臺(tái)位移方向,且位移方向平行于安裝基面,工件球心在旋轉(zhuǎn)軸線上,旋轉(zhuǎn)軸線在測(cè)量平面內(nèi)。但受儀器零部件制作精度及安裝誤差的影響,系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生以下主要誤差:工件安裝偏心產(chǎn)生的誤差、旋轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)產(chǎn)生的誤差、安裝基面與旋轉(zhuǎn)軸線不垂直產(chǎn)生的誤差、溫度產(chǎn)生的誤差、激光光軸與理想位移方向不垂直產(chǎn)生的誤差。1.2.1圖1:美國(guó)監(jiān)獄警察-區(qū)工件安裝偏心導(dǎo)致工件球心O偏離旋轉(zhuǎn)軸線,如圖3所示。分度臺(tái)旋轉(zhuǎn),球心O繞其在旋轉(zhuǎn)軸上的投影點(diǎn)G旋轉(zhuǎn),半徑為偏心距e,e的橫向分量Δe式中,e為偏心幅值;β1.2.2旋轉(zhuǎn)軸類型誤差分析工件球心位置不僅受工件安裝偏心影響,還同時(shí)受旋轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)影響,這導(dǎo)致實(shí)測(cè)截面偏離最大截面,影響測(cè)量結(jié)果。由圖4可以看出:由于工件安裝偏心和旋轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)同時(shí)存在,使被測(cè)件8個(gè)截面的實(shí)測(cè)輪廓曲線不重合。旋轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)分為徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng),下面分別分析兩者的誤差模型。設(shè)旋轉(zhuǎn)軸軸向跳動(dòng)量為s,它使實(shí)際安裝基面偏離理想安裝基面,并沿旋轉(zhuǎn)軸線竄動(dòng),導(dǎo)致工件實(shí)際球心沿理想軸線前后移動(dòng),從而影響球心縱坐標(biāo)的準(zhǔn)確獲取。軸向跳動(dòng)對(duì)8個(gè)截面的縱坐標(biāo)影響量為1.2.3面繞旋轉(zhuǎn)軸線傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)安裝基面不垂直于旋轉(zhuǎn)軸線,實(shí)際安裝基面與理想安裝基面夾角為α,如圖5所示。工件安裝偏心存在時(shí),隨分度臺(tái)旋轉(zhuǎn),實(shí)際安裝基面繞旋轉(zhuǎn)軸線傾斜轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致工件的實(shí)際球心不僅偏離旋轉(zhuǎn)軸線,而且沿軸向前后移動(dòng),影響球心坐標(biāo);同時(shí)導(dǎo)致弧段采樣區(qū)間改變,影響激光測(cè)頭讀數(shù)。設(shè)偏心距為e,安裝基面傾斜α?xí)r,e沿軸向的分量Δy影響球心縱坐標(biāo)的準(zhǔn)確獲取,e沿理想安裝基面的分量使在理想安裝基面內(nèi)的實(shí)際偏心距由e變?yōu)閑′,從式(1)~式(3)可知這會(huì)影響球心橫坐標(biāo)和球徑。由三角關(guān)系可以得到如下誤差模型:1.2.4溫度誤差儀器在車間實(shí)驗(yàn)室使用,必須考慮使用時(shí)的環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)情況下導(dǎo)致的工件幾何尺寸的變化,尺寸變化量為式中,α1.2.5激光光軸誤差的測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果激光器安裝誤差和一維平移臺(tái)的直線度誤差會(huì)導(dǎo)致激光光軸不垂直于理想位移方向。安裝誤差導(dǎo)致激光光軸不垂直于位移方向,實(shí)際激光光軸與理想光軸的夾角為θ,如圖6所示。平移臺(tái)的直線度誤差使工作臺(tái)實(shí)際位移曲線偏離理想直線,設(shè)工作臺(tái)移動(dòng)到某點(diǎn)時(shí),激光光軸跟隨工作臺(tái)偏轉(zhuǎn)γ,導(dǎo)致激光光軸與理想光軸的夾角為γ,如圖7所示。兩種誤差的綜合結(jié)果使被測(cè)圓弧上每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)值改變,從而影響測(cè)量結(jié)果。對(duì)圓弧上點(diǎn)M,坐標(biāo)改變量如下:式中,y′為實(shí)際激光測(cè)頭讀數(shù)值;y為理論值。兩種誤差源中,安裝誤差導(dǎo)致的夾角θ是恒定的,而偏角γ隨位移臺(tái)移動(dòng)而改變。在精度分配時(shí),保證選型的一維平移臺(tái)直線度在一定精度內(nèi),這樣使得γ相對(duì)θ很小,且在測(cè)量弧段內(nèi)γ正負(fù)變化可以抵消,這里認(rèn)為θ是最主要的誤差。用MATLAB軟件仿真半徑變化量與r、θ的關(guān)系,構(gòu)造理論圓,算出各采樣點(diǎn)的新坐標(biāo)值并由最小二乘法擬合出新的半徑。圖8給出了不同θ時(shí)Δr與r的曲線,可發(fā)現(xiàn):當(dāng)θ大于0°時(shí),Δr小于0,θ小于0°時(shí),Δr大于0;Δr與r成線性關(guān)系,且Δr的絕對(duì)值隨r的增大而增大;當(dāng)r一定時(shí),θ的改變量越大,半徑的變化量也越大。由仿真結(jié)果可得到Δr與r、θ的關(guān)系:2誤差在線辨識(shí)為提高儀器測(cè)量精度,?？紤]用標(biāo)準(zhǔn)球?qū)ι鲜稣`差進(jìn)行辨識(shí)與修正。使用標(biāo)準(zhǔn)球存在以下問(wèn)題:該儀器的工裝系統(tǒng)專門(mén)為裝夾工件設(shè)計(jì),由于工件的尺寸原因,在三爪卡盤(pán)和工件之間加了基準(zhǔn)板,導(dǎo)致了卡爪可夾持長(zhǎng)度縮短,標(biāo)準(zhǔn)球不能直接被夾緊,而設(shè)計(jì)球座輔助裝夾,又會(huì)引入附加偏心誤差;標(biāo)準(zhǔn)球與工件材料不同,溫度變化帶來(lái)的影響不同;很難買到多種不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)球,而單一標(biāo)準(zhǔn)球無(wú)法驗(yàn)證激光光軸與位移方向不垂直對(duì)不同半徑的影響模型。因此由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球獲得的修正值,并不能準(zhǔn)確用于修正工件測(cè)量結(jié)果,不如直接用系列工件代替標(biāo)準(zhǔn)球。下面以關(guān)節(jié)軸承GAC系列的內(nèi)圈為例,對(duì)三個(gè)工件的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,并與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì),確定各誤差修正模型或修正量。關(guān)節(jié)軸承檢測(cè)儀在25℃車間實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量工件的8個(gè)截面,獲得每個(gè)截面的測(cè)量結(jié)果,并取均值;再用測(cè)量精度為2μm的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下測(cè)量同一個(gè)工件,三個(gè)工件的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出,三種工件由關(guān)節(jié)軸承檢測(cè)儀測(cè)得的半徑值與理論值、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量值相差較大,球心x、y平均值的標(biāo)準(zhǔn)差比較大。圖9是三個(gè)工件8個(gè)截面球心x坐標(biāo)變化曲線,圖10是y坐標(biāo)變化曲線,曲線上的點(diǎn)分布不均勻,是由于8個(gè)測(cè)量截面是不均布的(避開(kāi)卡爪,以消除三個(gè)卡爪擋住激光光線對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響)。(1)工件安裝偏心、旋轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)、安裝基面與旋轉(zhuǎn)軸線不垂直產(chǎn)生的綜合誤差的辨識(shí)和修正。由圖9和圖10可以看出曲線重合性比較好,說(shuō)明工件安裝偏心、旋轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)、安裝基面與旋轉(zhuǎn)軸線不垂直產(chǎn)生的綜合誤差與工件尺寸無(wú)關(guān);同時(shí)球心坐標(biāo)受綜合誤差的影響比較復(fù)雜,難以用模型法修正誤差,因此對(duì)每個(gè)截面的球心坐標(biāo)采用數(shù)值法修正。對(duì)圖9中三個(gè)工件的x坐標(biāo)取平均,得到每個(gè)截面的x計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。綜合誤差會(huì)使測(cè)量平面偏離球最大截面影響半徑,由圖3中偏離量Δe(2)溫度產(chǎn)生的誤差修正。關(guān)節(jié)軸承球面尺寸檢測(cè)儀在車間實(shí)驗(yàn)室使用,環(huán)境溫度是25℃,工件的線膨脹系數(shù)為11.6×10(3)激光光軸與理想移動(dòng)方向不垂直產(chǎn)生的誤差辨識(shí)與修正。此項(xiàng)誤差的參數(shù)θ用工件的實(shí)測(cè)結(jié)果辨識(shí)不出來(lái),需要借助三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果。設(shè)關(guān)節(jié)軸承球面尺寸檢測(cè)儀測(cè)得的半徑值與三坐標(biāo)測(cè)量差值為Δr,減去Δr綜上分析可得:每個(gè)截面球心x坐標(biāo)修正值為-Δx3承截面尺寸檢測(cè)的測(cè)量用同系列工件GAC60S驗(yàn)證修正效果,其材料、裝夾方式、8個(gè)測(cè)量截面位置與上面三種工件一致,在25℃實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中用關(guān)節(jié)軸承球面尺寸檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,按照前述步驟修正實(shí)測(cè)結(jié)果。(1)球心位置的修正。用測(cè)得的各截面x(2)半徑的修正。用測(cè)得的各截面r用r+Δr獲得修正后的半徑值。將修正結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量值進(jìn)行比對(duì),由表3和表4可以看出修正后的測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量值差值在10μm以內(nèi),與修正前的測(cè)量結(jié)果相比,測(cè)量精度明顯提高,使儀器滿足了企業(yè)要求的±0.01mm的精度要求。4辨識(shí)與修正法本文指出了常用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等通用儀器的誤差修正方法用于關(guān)節(jié)軸承球面尺寸檢測(cè)儀時(shí)的不足,在對(duì)儀器系統(tǒng)誤差分析建模的基礎(chǔ)上,采用誤差在線辨識(shí)與修正法,直接對(duì)幾種工件的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,辨識(shí)并確定了各誤差修正模型或修正量。修正結(jié)果表明:該