[发明专利]一种在位测量圆环形平面形状误差的方法

权利要求书

1.一种在位测量圆环形平面形状误差的方法，其特征在于，所述的一种在位测量圆环形平面形状误差的方法用一种圆环面平面度在线测量系统进行在线测量；

所述的圆环面平面度在线测量系统包括调姿部分、回转部分和测量部分；

调姿部分包括调姿台(5)、调姿台电机(4)和转接板；调姿台(5)用于调节沿z轴和x轴的回转角度，由调姿台电机(4)控制，调姿台电机(4)由控制器控制；z轴为垂直于调姿台(5)平面的轴，调整角度为0°～360°；x轴为垂直调姿台电机(4)轴方向的轴，调整角度为-30°～30°；转接板的下表面连接在调姿台(5)台面上，其上表面一侧连接有回转分度盘底座(7)；

回转部分包括回转分度盘底座(7)和分回转分度盘(1)；回转分度盘底座(7)主体为方体框架结构，两侧表面和底面开有T型槽，T型槽与转接板通过螺栓螺母配合连接；回转分度盘(1)上的齿轮与回转分度盘底座(7)上的齿轮啮合；回转分度盘底座(7)顶面设有扳手，扳手向前扳动，带动回转分度盘(1)向前运动，使回转分度盘(1)上的齿轮与回转分度盘底座(7)上的齿轮啮合，手动转动所需角度，扳手向回扳动，使回转分度盘(1)与回转分度盘底座(7)上的齿轮脱离啮合，并卡死以固定；

回转分度盘(1)的最小回转角度为1°，回转精度为10″，回转分度盘(1)台面上开有T型槽和中心孔；回转分度盘(1)一侧通过中心孔与传感器夹具(10)的心轴定位，通过T型槽和螺栓螺母(2)配合固定，另一侧通过齿轮与回转分度盘底座(7)上的齿轮啮合；

测量部分包括传感器夹具(10)、传感器保持架和接触式传感器(8)；传感器夹具(10)为圆盘结构，在传感器夹具(10)上共布置有4组传感器插孔，其中两组为单排传感器插孔，数量为3个，另两组为双排传感器插孔，每排3个，共6个；每排传感器插孔的中心插孔位置设为0°、90°、180°和270°，中心传感器插孔两侧的传感器插孔与中心的夹角为10°；每排中所有传感器插孔与圆心的距离相等，排与排之间不相等，传感器插孔与传感器夹具(10)的圆心距离为100mm～300mm；单排传感器插孔用来测量法兰面上孔中心线上的平面度，双排传感器插孔用来测量孔径向两侧的平面度；每个传感器插孔内安装一个传感器保持架用来固定接触式传感器(8)；接触式传感器(8)测量的数据通过RS232总线传输到上位机，在上位机内编写Labview程序进行数据读取和分析；

测量步骤如下：

步骤A：传感器夹具(10)上至少安装五个接触式传感器(8)，其中，三个接触式传感器(8)V₁、V₂和V₃是测量用传感器，安装于任一组中的任一排插孔中，但必须安装在同一排；第四个接触式传感器(8)V₄安装于与V₂夹角为90°的插孔中，且位于中心插孔；第五个接触式传感器(8)V₅安装于与V₂夹角为90°的插孔中，且位于中心插孔，其与V₄对称；其中V₁、V₂所夹圆心角为α₁，V₂、V₃所夹圆心角为α₂，其中：α₁＝α₂＝α，且N为待测件上的测量点数量；

步骤B：设待测件与传感器夹具(10)盘面的轴的倾角为θ，每次测量时的转角为α，设V₁，V₂，V₃三个接触式传感器(8)在y轴方向与待测件的距离分别为d₁，d₂，d₃，由于安装误差很难完全调平，因此有不平度误差δ₁＝d₂-d₁，δ₂＝d₃-d₁，则对于第k个测量点，有：

δ′₁＝δ₁+Rθ{cos(kα)-cos[(k+1)α]} (1)

δ′₂＝δ₂+Rθ{cos(kα)-cos[(k+2)α]} (2)

上式表明：待测件在在位测量时，调零误差δ′₁和δ′₂并非定值，而是转角α的函数，通过调平过程使δ₁＞＞Rθ，因而认为δ′₁＝δ₁，δ′₂＝δ₂；

对V₂，V₄，V₅三个接触式传感器(8)测头进行调平处理，调平由调姿台(5)实现，调姿台(5)具有两个自由度，通过调姿台电机(4)调节x轴方向与z轴方向的旋转；首先调节z轴方向的旋转，使得V₄和V₅两传感器的读数相同，再调节x轴方向的旋转，使得V₂的读数与V₄和V₅的读数相同；

步骤C：在调平操作后，V₂，V₄，V₅确定一个基面；V₁，V₃两个接触式传感器(8)与此基面在y轴方向上存在安装误差，通过反复调整传感器夹具(10)以尽量减小差值，使δ₁、δ₂尽可能减小；

步骤D：完成步骤B和步骤C后，读取V₁，V₂，V₃数值并记录第一组读数；然后向前扳动扳手(11)使回转分度盘(1)旋转，之后顺时针或逆时针转动回转分度盘(1)，转角为α，向后扳动扳手(11)使回转分度盘(1)固定，记录第二组读数，以此类推，读取N组读数；

设S(k)为待测件第k次测量点平面度误差在y轴方向上的分量，R(k)为传感器夹具(10)第k次测量点在y轴上的分量，tanγ(k)是传感器夹具平面误差导致的夹角的正切值；V₁(k)、V₂(k)、V₃(k)分别是传感器V₁、V₂、V₃的同组测量值，Δl为两相邻测量点间的间隔，则有：

V₁(k)＝S(k)+R(k) (3)

V₂(k)＝S(k+1)+R(k)+Δl tanγ(k) (4)

V₃(k)＝S(k+2)+R(k)+2Δl tanγ(k) (5)

令R(1)＝0，则有S(1)＝V₁(1)，S(2)＝V₂(1)，从而求得递推公式：

S(k+2)＝V₁(k)-2V₂(k)+V₃(k)-S(k)+2S(k+1) (6)

当考虑安转造成的不平度误差时有：

V₁(k)＝S(k)+R(k) (7)

V₂(k)＝S(k+Δl)+R(k)+Δl tanγ(k)+δ₁ (8)

V₃(k)＝S(k+2Δl)+R(k)+2Δl tanγ(k)+δ₂ (9)

利用归纳法，从而得S(k+2)的误差项为：

步骤E：读取N组读数之后继续转动回转分度盘(1)，读取第N+1组与第N+2组数据，用以消除初值误差；由于被测面是圆环，又有故第N+1点和第1点重合，第N+2点和第2点重合，令

a＝S(N+2)-S(2),b＝S(N+1)-S(1), (11)

解出δ₁和δ₂的值分别为：

解出，δ₁和δ₂代入式(6)中，可得到S(k+2)的误差项的值Δs(k+2)，则误差分离公式为