高精密机床主轴回转误差在线测试系统

为实现对高精度机床主轴回转误差的在线实时测量,根据机床机械结构特点,采用标准球及外基准测量方法间接对机床主轴径向位移进行测量,并利用三点法误差分离算法将主轴圆度误差与回转误差分离,得到纯回转误差。依据所提出的测试方法,基于PXI总线数据采集技术建立测试系统硬件部分,并利用PXI外部时钟同步采集卡实现主轴径向位移信息的等角度同步采样;在LabVIEW开发环境下,开发在线测试软件,对回转误差进行在线分离。利用该系统对某机床进行在线测试,测试结果表明,测试系统可以在线将机床主轴纯回转误差从径向位移信息中分离出来,并达到较高的测试准确度。     

三点法误差分离技术理论分析

本文通过分析和研究国内外误差分离技术有关文献,建立了三点法测量和无约束最优化方法评定工件圆度误差、圆柱度误差的数学模型,并发现在应用该技术求解工件回转误差和圆柱度误差方面尚有不足,通过对一次谐波分离方法的研究,建立了精确求解工件回转误差和圆柱度误差的数学模型。     

主轴回转运动精度的评定误差

利用刚体平面运动的瞬心理论,把主轴的回转运动作为刚体的平面运动来研究,定义了主轴的回转轴心误差的概念。提出了用回转中心误差定义的车削类主轴回转运动精度的评定误差和用回转轴心误差定义的镗削类主轴回转运动精度的评定误差的概念。并解决了加工精度与主轴回转运动精度的定量关系。     

水平仪测试竖直轴系倾角回转误差的数据处理

为了更加准确地评定用水平仪测量竖直轴系的倾角回转误差,利用水平仪测试数据中误差的组成成分,明确两维水平仪读数中的谐波成分与回转误差中的谐波成分的相互关系。基于已有的2种数据处理方法,提出了将测量数据转换到固定坐标系下2种新的处理方法。详细分析了4种数据处理方法的优缺点,其中一次谐振分离方法将回转误差中的一次谐振量成功分离,得到了完整的回转误差。通过改变铅垂度,对轴系回转误差进行8次测量,对比所辨识的参数,从而验证了该方法的正确性。     

基于虚拟仪器的主轴回转精度测量系统

介绍了一套基于虚拟仪器的主轴回转精度测量系统，该系统由高精度标准球、电涡流传感器、微机和数据处理软件组成。软件系统基于LabVIEW虚拟仪器技术开发，硬件部分采用了由电感涡流传感器等组成的单向测量系统，对实验数据进行误差分离和处理评定。采用数字滤波方法消除一次偏心分量，在此基础上对数据处理和误差评定进行了探讨，该系统用于车床主轴回转精度的实际测量，取得了良好效果。     

基于多电容传感大型主轴圆度的精密测量

为解决大型轴类零件圆度形状的高精度在线测量问题,研究了一种基于多电容传感、非接触式圆度形状测量系统,可现场测量直径达800 mm的精密主轴。介绍了大直径精密回转工作台的主轴圆度形状测量方法,分析了多测头三点法的误差分离技术,详细阐述了精密电容传感器的测量原理和系统的结构及数据评价方法。与高精度的圆度形状测量仪比较的实验结果表明,该测量系统的示值误差优于0.1 μm,重复性优于0.05 μm,能够满足现场测量要求。     

双运动副误差分离技术在圆度测量中的应用

基于对传统误差分离技术的研究，本文作者提出了一种新的“双运动副”误差分离技术，把它应用于圆度误差的测量中，可以克服传统方法带来的不足．仅利用一个传感头，进行一次安装调整就可简单方便地实现圆度误差的测量．分离掉主轴的回转误差，获得反映工件圆度误差的精确值．     

主轴回转误差的信息特性分析

本文论述主轴回转误差的信息特性,指明了主轴回转误差的信源—信道—信宿,并推算出其信息熵的计算公式。通过对主轴回转误差的测量获得了信息,使原始不确定度得以减小,但仍有残留熵。文中推算了残留熵的计算公式、表示测量误差淹没信息作用的测量误差熵值和熵系数。最后对测量所得信号的处理及分析方法。作了讨论。     

主轴回转误差Prony谱模型

本文提出了建立轴回转误差连续模型的Ｐｒｏｎｙ谱分析方法，并通过奇异值分解来确定误差信号中所含的谐波个数，为从根本上解决圆度与圆柱度误差分离技术中的“谐波抑制”问题奠定了基础。     

基于极坐标测量的圆度误差评定算法

提出一种利用极坐标测量数据求解圆度误差的网格搜索算法,其原理是在最小二乘圆心周围按一定规则布置一系列的极坐标网格点,依次以各网格点为理想圆心计算所有测点的半径值,通过比较这些半径值,实现最小区域法、最小外接圆法和最大内接圆法的圆度误差精确评定。详细叙述了算法求解圆度误差的过程和步骤,给出了数学计算公式及程序流程图。试验结果表明,该算法可有效、正确地评定圆度误差。     

Influence of index table accuracy on roundness calibration in the multi-step method using monte carlo simulation

The precise and accurate roundness measurement is required year by year. The multi-step method is commonly used in the high-accuracy measurement for the roundness. The multi-step method is the self-calibration of the roundness capable of performing highly-advanced precise measurement. It depends on the reason that is able to separate measurement wave from the spindle rotation component and the form component of hemispherical master. But the mathematical models of the roundness measurement using that method are very complicated, describing numerous parameters and processes. So, recently, the Monte Carlo technique has attracted increasing attention as a very useful method for uncertainty estimation. This paper describes influences of the indexing angle accuracy and the noises generated by the roundness measuring machine, on the roundness measurements, both of which were analyzed by the Monte Carlo simulation. Furthermore, an example of hemispherical master is compared with the actual measurement data between when a reference guide plate is used utilizing the magnetic rotary encoder.     

Minimum Zone Evaluation for Roundness Error Based on Geometric Approximating Searching Algorithm

Considering the characteristics of roundness error, a new method for roundness error evaluation in the rectangular coordinates, named as Geometric Approximation Searching Algorithm, is presented in this paper. The principle and steps of the algorithm are described in detail. The mathematical formulas and program flowchart are given. At first the algorithm allocates a square and predetermines the ideal centre point as the initial reference point. The radius value of all the measured points are calculated by each corresponding vertexes of the square respectively. After each vertex of the square and the initial reference point are used as the ideal centre point to calculate the roundness error, the minimum difference of the radius is obtained. The judgment and arranged square can be done repeatedly. Finally, the roundness error value of the minimum zone circle is determined. The experimental results show that the roundness error can be evaluated effectively and accurately by using this algorithm.     

测量与信息技术

测量是获取信息的重要手段。科学研究、生产、高科技发展都离不开测量。测量技术发展的重要特点是它与信息技术的融合,这是提高测量精度、在线和动态测量、复杂参数和复杂环境下测量、智能测量的需要。这一融合贯彻始终,它包括信号调制与解调、采样与重构、信号融合、数据压缩、滤波、信号变换、时间序列分析、谱分析、数据拟合与建模、模式识别、神经网络、仿真与虚拟、误差分离、误差补偿、冗余技术、决策与智能技术等,它们互相支持。章通过三坐标测量机误差补偿、圆度和轴系误差测量,以及大型工程的柔性坐标测量系统,介绍其在提高测量精度、优化、自标定、丢失信息自恢复、系统重组等方面的作用及其关键技术。     

圆度误差目标函数凸凹性的研究

应用凸函数理论证明了圆度误差最小区域评定法的目标函数是二维欧氏空间R2 中的连续、不可微的凸函数 ,从而证明了目标函数的全局极小值的唯一性 ,并给出了实例     

微分进化算法在圆度误差评定中的应用

为了精确快速计算圆度误差,提出了基于微分进化智能优化算法的最小区域圆度误差评定方法。介绍了微分进化算法的基本原理及种群初始化、变异、交叉、选择实现步骤,建立了该算法求解最小区域圆度误差的数学模型。为验证算法的有效性,进行了大量实验并与多种算法进行对比,证实了方法的评定结果不仅小于最小二乘法及标准遗传算法评定结果,精度高,而且计算结果稳定,运算速度快。实验表明:微分进化算法用于最小区域圆度误差评定有较强的自适应能力、快速全局收敛性和高稳定性,适于对高精度圆度误差的快速评定。     

Phase Error Compensation of Three-Dimensional Reconstruction Combined with Hilbert Transform

Nonlinear response is an important factor affecting the accuracy of three-dimensional image measurement based on the fringe structured light method. A phase compensation algorithm combined with a Hilbert transform is proposed to reduce the phase error caused by the nonlinear response of a digital projector in the three-dimensional measurement system of fringe structured light. According to the analysis of the influence of Gamma distortion on the phase calculation, the algorithm establishes the relationship model between phase error and harmonic coefficient, introduces phase shift to the signal, and keeps the signal amplitude constant while filtering out the DC component. The phase error is converted to the transform domain, and compared with the numeric value in the space domain. The algorithm is combined with a spiral phase function to optimize the Hilbert transform, so as to eliminate external noise, enhance the image quality, and get an accurate phase value. Experimental results show that the proposed method can effectively improve the accuracy and speed of phase measurement. By performing phase error compensation for free-form surface objects, the phase error is reduced by about 26%, and about 27% of the image reconstruction time is saved, which further demonstrates the feasibility and effectiveness of the method.     

高精度圆度仪误差分离装置研制及测量不确定度分析

介绍了一种由程控型多齿分度台和高精度圆度仪组合而成的全自动误差分离装置,该装置能够使圆度仪主轴回转误差从被测工件测量结果中可靠分离,从而极大地提高了圆度测量不确定度,本文对该装置测量不确定度进行了分析。     

基于AFM的靶丸表面轮廓仪设计及其测量精度分析

基于商用原子力显微镜（AFM）建立了靶丸表面轮廓测量仪系统，并对该系统的精密回转轴系进行了结构设计．为了评价系统的测量不确定度，进行了气浮轴系回转精度测试，确定了回转轴系的误差曲线，其最小二乘圆度误差为48 nm；同时对安装回转轴系后AFM的测量噪声进行了测试，并通过结构改进使静态噪声幅值降为约10nm．应用这一系统进行了靶丸表面圆周迹线的测量实验，实验测量出该系统运转测量时噪声幅值约13 nm，综合测量误差约49．7 nm，此测量精度可以通过回转轴系的误差分离来进一步提高．     

微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧的测量及评价

为实现对微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧的评价,提出了一种基于高分辨率扫描电镜图像的评价方法,并对刀尖圆弧轮廓提取、轮廓曲线拟合、圆弧度评价等算法进行了研究.首先,运用Canny边缘检测算子提取刀尖圆弧图像的二维轮廓数据,并用移动最小二乘法对该数据进行拟合,使所提取轮廓光滑化;接着,建立了基于最小二乘准则的刀尖圆弧评价模型,并采用二次序列规划法对模型进行求解;最后,分析了轮廓拟合误差、测量不垂直度误差对刀尖圆弧评价结果的影响,并计算了刀尖圆弧半径及圆弧度不确定度值.实验结果表明所评价微圆弧金刚石刀具的刀尖圆弧半径为30.213μm,圆弧半径不确定度为351 nm,圆弧度为0.114μm,圆弧度不确定度为24 nm.由评价结果可以看出,本文所提出的方法可以实现微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧纳米级精度的测量及评价.