关节轴承球面尺寸检测仪误差修正法

关节轴承球面尺寸检测仪误差修正法

0总结专用设备是测量各种特定几何参数的设备。1轴承安装尺寸测试1.1滑动截面的测量关节轴承由内外圈组成,如图1所示,由内外圈组成的滑动球面摩擦副的形状会直接影响关节轴承各方面的工作性能,因此,球面半径r、球心位置S等与形状相关参量的高精度测量十分重要1.2旋转轴线测距为实现准确测量,仪器结构设计应保证:安装基面垂直于旋转轴线,激光光轴垂直于一维平移台位移方向,且位移方向平行于安装基面,工件球心在旋转轴线上,旋转轴线在测量平面内。但受仪器零部件制作精度及安装误差的影响,系统会产生以下主要误差:工件安装偏心产生的误差、旋转轴跳动产生的误差、安装基面与旋转轴线不垂直产生的误差、温度产生的误差、激光光轴与理想位移方向不垂直产生的误差。1.2.1图1:美国监狱警察-区工件安装偏心导致工件球心O偏离旋转轴线,如图3所示。分度台旋转,球心O绕其在旋转轴上的投影点G旋转,半径为偏心距e,e的横向分量Δe式中,e为偏心幅值;β1.2.2旋转轴类型误差分析工件球心位置不仅受工件安装偏心影响,还同时受旋转轴跳动影响,这导致实测截面偏离最大截面,影响测量结果。由图4可以看出:由于工件安装偏心和旋转轴跳动同时存在,使被测件8个截面的实测轮廓曲线不重合。旋转轴跳动分为径向跳动和轴向跳动,下面分别分析两者的误差模型。设旋转轴轴向跳动量为s,它使实际安装基面偏离理想安装基面,并沿旋转轴线窜动,导致工件实际球心沿理想轴线前后移动,从而影响球心纵坐标的准确获取。轴向跳动对8个截面的纵坐标影响量为1.2.3面绕旋转轴线倾斜转动安装基面不垂直于旋转轴线,实际安装基面与理想安装基面夹角为α,如图5所示。工件安装偏心存在时,随分度台旋转,实际安装基面绕旋转轴线倾斜转动,导致工件的实际球心不仅偏离旋转轴线,而且沿轴向前后移动,影响球心坐标;同时导致弧段采样区间改变,影响激光测头读数。设偏心距为e,安装基面倾斜α时,e沿轴向的分量Δy影响球心纵坐标的准确获取,e沿理想安装基面的分量使在理想安装基面内的实际偏心距由e变为e′,从式(1)~式(3)可知这会影响球心横坐标和球径。由三角关系可以得到如下误差模型:1.2.4温度误差仪器在车间实验室使用,必须考虑使用时的环境温度偏离标准温度(20℃)情况下导致的工件几何尺寸的变化,尺寸变化量为式中,α1.2.5激光光轴误差的测量实验结果激光器安装误差和一维平移台的直线度误差会导致激光光轴不垂直于理想位移方向。安装误差导致激光光轴不垂直于位移方向,实际激光光轴与理想光轴的夹角为θ,如图6所示。平移台的直线度误差使工作台实际位移曲线偏离理想直线,设工作台移动到某点时,激光光轴跟随工作台偏转γ,导致激光光轴与理想光轴的夹角为γ,如图7所示。两种误差的综合结果使被测圆弧上每个采样点的坐标值改变,从而影响测量结果。对圆弧上点M,坐标改变量如下:式中,y′为实际激光测头读数值;y为理论值。两种误差源中,安装误差导致的夹角θ是恒定的,而偏角γ随位移台移动而改变。在精度分配时,保证选型的一维平移台直线度在一定精度内,这样使得γ相对θ很小,且在测量弧段内γ正负变化可以抵消,这里认为θ是最主要的误差。用MATLAB软件仿真半径变化量与r、θ的关系,构造理论圆,算出各采样点的新坐标值并由最小二乘法拟合出新的半径。图8给出了不同θ时Δr与r的曲线,可发现:当θ大于0°时,Δr小于0,θ小于0°时,Δr大于0;Δr与r成线性关系,且Δr的绝对值随r的增大而增大;当r一定时,θ的改变量越大,半径的变化量也越大。由仿真结果可得到Δr与r、θ的关系:2误差在线辨识为提高仪器测量精度,常考虑用标准球对上述误差进行辨识与修正。使用标准球存在以下问题:该仪器的工装系统专门为装夹工件设计,由于工件的尺寸原因,在三爪卡盘和工件之间加了基准板,导致了卡爪可夹持长度缩短,标准球不能直接被夹紧,而设计球座辅助装夹,又会引入附加偏心误差;标准球与工件材料不同,温度变化带来的影响不同;很难买到多种不同尺寸的标准球,而单一标准球无法验证激光光轴与位移方向不垂直对不同半径的影响模型。因此由测量标准球获得的修正值,并不能准确用于修正工件测量结果,不如直接用系列工件代替标准球。下面以关节轴承GAC系列的内圈为例,对三个工件的实测结果进行分析,并与三坐标测量结果进行比对,确定各误差修正模型或修正量。关节轴承检测仪在25℃车间实验室里测量工件的8个截面,获得每个截面的测量结果,并取均值;再用测量精度为2μm的三坐标测量机在标准温度20℃下测量同一个工件,三个工件的测量结果见表1。由表1可以看出,三种工件由关节轴承检测仪测得的半径值与理论值、三坐标测量机测量值相差较大,球心x、y平均值的标准差比较大。图9是三个工件8个截面球心x坐标变化曲线,图10是y坐标变化曲线,曲线上的点分布不均匀,是由于8个测量截面是不均布的(避开卡爪,以消除三个卡爪挡住激光光线对测量带来的影响)。(1)工件安装偏心、旋转轴跳动、安装基面与旋转轴线不垂直产生的综合误差的辨识和修正。由图9和图10可以看出曲线重合性比较好,说明工件安装偏心、旋转轴跳动、安装基面与旋转轴线不垂直产生的综合误差与工件尺寸无关;同时球心坐标受综合误差的影响比较复杂,难以用模型法修正误差,因此对每个截面的球心坐标采用数值法修正。对图9中三个工件的x坐标取平均,得到每个截面的x计算结果见表2。综合误差会使测量平面偏离球最大截面影响半径,由图3中偏离量Δe(2)温度产生的误差修正。关节轴承球面尺寸检测仪在车间实验室使用,环境温度是25℃,工件的线膨胀系数为11.6×10(3)激光光轴与理想移动方向不垂直产生的误差辨识与修正。此项误差的参数θ用工件的实测结果辨识不出来,需要借助三坐标测量结果。设关节轴承球面尺寸检测仪测得的半径值与三坐标测量差值为Δr,减去Δr综上分析可得:每个截面球心x坐标修正值为-Δx3承截面尺寸检测的测量用同系列工件GAC60S验证修正效果,其材料、装夹方式、8个测量截面位置与上面三种工件一致,在25℃实验室环境中用关节轴承球面尺寸检测仪对其进行测量,按照前述步骤修正实测结果。(1)球心位置的修正。用测得的各截面x(2)半径的修正。用测得的各截面r用r+Δr获得修正后的半径值。将修正结果与三坐标测量机测量值进行比对,由表3和表4可以看出修正后的测量结果与三坐标测量值差值在10μm以内,与修正前的测量结果相比,测量精度明显提高,使仪器满足了企业要求的±0.01mm的精度要求。4辨识与修正法本文指出了常用于坐标测量机等通用仪器的误差修正方法用于关节轴承球面尺寸检测仪时的不足,在对仪器系统误差分析建模的基础上,采用误差在线辨识与修正法,直接对几种工件的实测结果进行分析,辨识并确定了各误差修正模型或修正量。修正结果表明:该