测头读数及定位误差对三点法圆度测量精度的影响

研究三点法测量圆度时测头的读数及角位置误差对圆度测量精度的影响。从三点法的原理出发对测量过程进行误差分析,导出了圆度测量误差方程,并通过计算机仿真详细研究了测头的读数及角位置误差对圆度测量精度的影响。圆度测量精度主要决定于读数误差;如果３个测头间的夹角选择不当,将使测头读数误差在某些谐波上被大大放大。必须恰当选择３个测头间的夹角,使读数误差对圆度各次谐波测量结果的影响都较小。     

三点法中测头最佳角位置的确定方法

论述了三点法圆度及轴系运动误差测量系统中确定三个测头最佳角位置的方法。通过分析测头读数误差对圆度各次谐波测量精度的影响,提出了确定三个测头最佳角位置的优化策略,基于MonteCarlo思想和单纯形模式搜索方法编制了高效、高精度的寻优程序,优化得到三个测头的最佳角位置。研究表明：在误差分析的基础上对三个测头的角位置进行优化能很好地解决三点法圆度测量形状失真问题,随机模式搜索寻优是确定测头最佳角位置的有效手段。     

在机测量线激光传感器安装位姿的全局标定

针对三轴数控机床激光测头安装位姿误差造成测量误差且不易调整和校准的问题,提出了一种在机测量线激光传感器 安装位姿标定方法。 建立了线激光在机测量系统的数学模型,通过机床运动带动线激光测头对标定基准点的空间位置进行测 量,基于手眼标定原理给出了关于测头安装位姿参数的线性求解算法,完成了对测头安装误差的全局标定。 考虑了机床定位误 差对于标定结果精度的影响,采用蒙特卡洛模拟进行了误差分析。 采用半径为 35 mm 的圆孔进行测量验证,实验结果表明,标 定后圆孔测量误差为 0. 051 6 mm,测量精度提高了约 96% ,实验结果验证了该标定方法的有效性和可行性。     

三点法圆度测量精度分析

详细分析了三点法中测头的读数及角位置误差对圆度测量精度的影响。从三点法的原理出发,根据误差理论,推导了测头及位置误差在圆度测量过程中的误差传播关系式。结果表明：三点法圆度测量结果失真的根本原因在于三个测头间的夹角选择不当,使测头读数误差在某些谐波上被大大放大。为提高三点法圆度测量精度,必须恰当选择三个测头间的夹角,以使读数误差对圆度各次谐波测量结果的影响都较小。     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。     

基于双测头的时栅位移传感器自标定方法

为提高时栅的测量精度,扩大其应用领域,提出了一种基于双测头的时栅位移传感器实时在线自标定方法。利用空域信号傅里叶级数的空间位移和线性性质,找出了相距一固定角的两个测量位置时栅示值之差数列的傅里叶级数与误差函数傅里叶级数间的关系;在此基础上,提出利用双测头相对回转的方法,实现了相距定角的两测量位置时栅示值之差数列的傅里叶级数的获取和误差函数的重构;分析了定角取值对误差函数重构精度的影响。试验结果表明:该方法能在误差频次高、误差成分复杂的条件下有效降低整周范围内时栅的测量误差,对72对极的时栅传感器,经自标定后剩余误差的峰-峰值小于2″,达到计量光栅精度水平,且系统极易集成,易于实现。该方法特别适合于大直径、大中空等极端特殊条件下时栅的自标定,也同样适用于其他同类型位移传感器的自标定。     

一种机器人的平面约束自标定技术研究

针对目前基于平面约束的标定方法误差模型复杂、实验条件较为苛刻等问题,提出了一种操作简单的平面约束标定方法。首先提出了修正的末端位置误差模型;其次在标定块的角点上建立坐标系,利用测量头对经过该角点的三个平面分别进行接触式测量,记录接触瞬间的各组关节角度值并将机器人末端位置转换到标定块坐标系中,从而建立平面约束误差模型;另外通过接触式测量头及编程实现了自动化测量,提高了标定效率;最后对运动学参数误差进行辨识并将结果修正到控制器。实验表明,机器人的绝对位置精度有明显提高。该标定方法成本低、效率高、操作简单,在保证精度的前提下简化了误差模型,具有实际应用价值。     

船载经纬仪数据处理

为了保证船载经纬仪的测角精度,补偿站位及船摇误差,分析了船载设备的姿态数据对测角误差的影响并建立了船摇误差模型.根据该模型提出了设备标定及测量方案,并给出了船载设备站位修正及事后数据处理方法.首先,建立船摇误差模型,分别给出航向、俯仰及横滚测量误差对设备方位角和俯仰角的影响公式;结合测量设备指标及任务要求,制定了标定及测量方案,给出了设备能够保证精度的测角范围.然后,提出了在船载设备特殊使用环境下,站位数据的测量方法及相应的站位船摇修正算法.最后,说明了船载光测设备的测量数据事后处理方法.实验结果表明,在船载精确姿态测量系统最大误差为航向角1.2′,纵倾角24″,横倾角24″的条件下,设备的测角误差均方根为方位≤57″,俯仰≤34″,基本达到了在该测量条件下的理论最优测角精度.     

在线测量系统测头误差补偿技术研究

通过分析在线测量系统测量过程中触发式测头测量结果的误差组成元素及其产生的原因,建立了测头标定的数学模型,并通过最小二乘法进行解算,提出通过对测头半径进行补偿来减小测量误差的新方法,该补偿方法综合考虑了实际测量过程中测头预行程误差、测头各向异性、测头偏心误差等影响因素,并利用双线性插值法建立测头半径补偿值与测点法矢方向之间的映射关系,来计算拟合任意法矢方向的半径补偿值。最后通过实验验证,对比补偿前后的测量结果,结果表明补偿后的测量系统测量精度有明显提高。     

多读数头混合布局测角误差抑制方法

在不增大码盘尺寸的前提下,对测角传感器读数头的布局展开研究,以研制小型化高精度的测角传感器。本文基于测角误差的谐波分析结果,详细推导和分析了多读数头布局对角度测量误差的抑制原理。通过对几种典型多读数头布局方式进行深入研究,提出一种采用奇数头和偶数头相结合的读数头混合布局方式,以消除更多更高阶次误差,提高测角传感器的精度。实验结果表明,当采用三个、四个和六个读数头均匀布局形式时,测角传感器的测角精度分别为15.44″、9.72″和8.96″;当采用六个读数头优化布局的方式时,测角精度可达到7.7″。上述结果说明多读数头优化布局可有效抑制测角误差,提高测量精度。     

五点法测量机床主轴轴向及倾角的运动误差

提出了测量机床主轴的轴向及倾角运动误差的端面五点法。在轴端面绕轴心的某一圆周上,垂直于轴端面,按通过误差分析优化确定的位置,布置五个测头,在主轴回转一圈中同时测得主轴的轴向及倾角运动误差以及端面基准的形状误差,并将测头的读数及定位误差的影响降至最低程度。本方法可用于机床主轴回转精度的实时测量,试验表明其测量精度可达亚微米级。     

A new multiprobe method of roundness measurements

This paper presents a new multiprobe method for roundness measurements called the mixed method. In this method, displacements at two points on a cylindrical workpiece and an angle at one of the two points are simultaneously monitored by two probes. The differential output of the probes cancels the effect of the spindle error, and deconvolving the differential data yields the correct roundness error. The mixed method is compared to the traditional 3-point method with respect to the transfer function and resolution. Unlike the 3-point method, the mixed method can completely separate the roundness error and the spindle error, and can measure high-frequency components regardless of the probe distance. Resolution can also be improved throughout the entire frequency domain by increasing angular separation of the probes. An optical sensor specifically suited to the mixed method is designed and used to make roundness measurements. A fiber coupler and single-mode fibers are used in the sensor to divide a light beam from a laser diode into two beams, resulting in a compact sensor with good thermal drift characteristics. The displacement meter of the sensor is based on the imaging system principle and has a resolution of 0.1 μm. The angle meter is based on the principle of autocollimation and has a resolution of 0.5 in. A measurement system is constructed to realize measurements of roundness by using the optical sensor. Experimental results confirming the effectiveness of the mixed method for roundness measurements are also presented in this paper.     

一种圆柱度测量基准的误差分离方法

通过对主轴回转误差运动的分析，结合三点法圆度误差分离技术，提出了一种完全分离圆柱度测量基准误差的分离方法，即利用主轴回转轴线平均线、测量传感器及直行导轨之间的空间位置关系，建立相应的坐标系，在分离出被测截面圆度误差、最小二乘圆心初始坐标的基础上，完整地分离出影响圆柱度精密测量的径向回转运动误差和导轨的直行运动误差。该技术不仅可以消除测量基准误差对圆柱度测量精度的影响，还可以实现主轴回转误差、导轨直线度以及导轨对主轴平行度误差的精密测量，对高精度误差补偿加工和机床的精度检验也具有重要意义。     

基于主轴回转运动误差在线检测的二次相移三点法

提出了一种基于数据重组和反滤波的二次相移三点法圆度误差分离技术,可以先行分离出主轴的回转运动误差,从而能够实现运动误差的在线检测.通过对三个传感器的测量数据按照二次相移原则进行数据重组,可以在数据处理的首次操作时消除圆度形状误差的影响,从而在二次操作时先行得到运动误差.权函数的对比分析表明该方法与圆度三点法在本质上的同源性和统一性.仿真与实验结果均表明:该方法可以先后分离出运动误差和形状误差,具有良好的分离效果.     

平行三点法圆度误差分离技术的精度分析

阐述了一种能临床测量与分离工件圆度误差和主轴系统回转误差的新方法——平行三点法误差分离技术的测量原理 ,定量分析了测量装置的结构参数、传感器初始调零误差、传感器随机误差和标定误差对圆度测量精度的影响 ,给出了误差传播方程。并讨论了一些消除或减小上述误差的方法。     

Modeling and error analysis for assessing spindle radial error motions

The rotating accuracy of a machine tool spindle directly affects the roundness of machined parts. Commonly, a precision arbor and one or two probes are used to inspect the spindle axis error motion. When the spindle error motion is in the same order of magnitude as the accuracy of the reference arbor, it is desirable to separate the roundness error of the reference arbor from the spindle error. One of the methods used is the three-probe method. This paper presents an exact geometric model and error analysis for the conventional three-probe method. The exact model is used to show that there is an approximation error in the commonly used governing equations of the three-probe method. To reduce inaccuracy in the converted axis motion and arbor contour, the reference arbor accuracy should be at least ten times better than that of the axis motion. It is also shown that the mounting error of the probes should be less than one-fiftieth of the size of the axis motion and the arbor size. The exact geometric model developed in this paper can also be extended to analyze the accuracy of other spindle inspection or roundness measurement methods.     

Spindle thermal drift measurement using the laser ball bar

Thermally induced errors are major contributors to the overall accuracy of machine tools. An important component of thermally induced errors is the error associated with spindle thermal drifts. In this paper, a novel method is developed to measure spindle thermal drifts in machine tools using a laser ball bar (LBB) as the calibration instrument. The method is implemented on a two-axis CNC turning center. The LBB is used to measure the coordinates of the spindle center and the direction cosines of the spindle axis at various thermal states. The axial, radial, and tilt thermal drifts of the spindle are then computed from the changes in these coordinates. The new method is verified by comparing the spindle drifts measured with the LBB to those measured by capacitance gauges. The results obtained by the new method show good agreement with the capacitance gauge technique. The primary advantage of the new method is the ability to measure the spatial coordinates of the spindle center and direction cosines of the spindle axis with the same instrument used for measurement of the geometric errors of the machine axes.