专利名称：滚轮变形引起大直径测量误差的修正方法、标定装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量误差的修正，更具体地说是对在利用滚轮法进行大直径测量的过程中，因滚轮变形引起大直径测量误差的修正。
背景技术：
随着机械加工技术的发展，可加工的大型零部件的空间尺寸越来越大，可实现的加工精度也越来越高，因此对测量技术也提出越来越高的要求。在大直径的测量方法中，滚轮法具有结构简单、操作方便等优点，但受打滑、滚轮受压变形以及温度误差的影响，测量很难达到高准确度的水平。因此要提高滚轮法的测量精度，修正滚轮受压变形引起的测量误差成为必须研究的关键技术之一。
滚轮法的测量原理是利用已知直径为d的标准滚轮与被测工件作无滑动的对滚，精确测量被测工件转过N圈时标准滚轮的相应转角，然后由下式求得被测工件的直径DD＝d*/(N*360) (1)滚轮法测量时，必须对标准滚轮施加一定的测量力，使被测工件与标准滚轮间产生足够的摩擦力，由被测工件带动标准滚轮同步旋转。而测量力会使标准滚轮产生受压变形，使直径不再是一个标准量。例如以直径d＝100mm的标准滚轮测直径D＝1m的大轴，即D＝10d。若标准滚轮产生了1um的变形，即Δd＝1um，根据误差传递，被测大轴的测量误差为ΔD＝10um。可见标准滚轮受压变形对测量结果的影响还是十分巨大的。同时被测工件旋转时必然存在径向跳动，会引起测量力的改变，又导致了实际测量中滚轮受压变形为一变量。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的问题，提供一种滚轮变形引起大直径测量误差的修正方法、该方法中的实验用标定装置，以及应用该方法修正误差的高精度滚轮法测量头。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是本发明中，滚轮变形引起大直径测量误差的修正方法的特点通过仿真标定，建立滚轮所受正压力与滚轮变形之间的数学模型，在测量根据实时测得的测量力中对滚轮受压变形引起的直径误差进行实时修正。
应用在本发明修正方法中的实验标定装置，其技术特点是以大平板仿真被测工件，由标准滚轮、滚轮支承架、实现滚轮浮动的直线滚动导轨副，以及包括预紧压簧、测力传感器在内的加力机构构成测量头。
应用本发明方法修正误差的高精度滚轮法测量头，包括与被测工件摩擦啮合的标准滚轮、滚轮支承架、实现滚轮浮动的直线滚动导轨副，以及包括预紧压簧在内的加力机构；其结构特点是在所述加力机构中设置测力传感器，所述测力传感器为标准滚轮与被测工件之间的正压力测力传感器；标准滚轮为防滑型，防滑型标准滚轮是在滚轮的轮面上沿其圆周方向开设沟槽，沟槽中放置有防滑胶圈。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明通过分析滚轮法测量大轴直径时滚轮受压变形对测量结果的影响，提出了通过仿真标定，建立起力与变形之间的数学模型，再在测量中对滚轮受压变形进行实时修正的新方法，从而大大提高了滚轮法的测量精度。
2、本发明在标定实验装置中，用大平板代替被测大轴来标定滚轮的接触变形大小。这是由于根据赫兹公式，若被测大轴、标准滚轮、大平板均为钢材，大轴直径为1m，标准滚轮直径为100mm，宽度为20mm，接触力为50N，滚轮与大平板接触时的变形δ1＝0.46905μm，与大轴接触时的变形δ2＝0.49745μm，Δδ＝δ1-δ2＝0.0284μm。可见两种情况下的变形差相对标准滚轮的变形量来说是可以忽略的。因此，以大平板代替大轴的实验设计方案是可行的。
3、除了标准滚轮受压变形之外，打滑现象也是滚轮法测量的一个致命弱点，它直接影响着滚轮法的测量精度。打滑现象的产生主要原因是因为滚轮与被测工件之间的摩擦力不够，本发明通过增大滚轮与被测工件之间的摩擦系数可以有效地解决这一问题，从结构方面来考虑，本发明中防滑型的滚轮结构是提高滚轮法测量精度的一个方便而有效的方法。


图1为本发明实验标定装置结构示意图。
图2为本发明滚轮法测量头结构示意图。
图3为本发明标准滚轮结构示意图。
图4本发明中滚轮变形量与测量力关系曲线图。
具体实施例方式关于滚轮变形引起大直径测量误差的修正方法通过仿真标定，建立滚轮所受正压力与滚轮变形之间的数学模型，在测量中根据实时测得的测量力对滚轮受压变形引起的直径误差进行实时修正。
关于实验用仿真标定装置参见图1、图3，用于仿真标定的实验装置是以大平板1仿真被测工件，由标准滚轮2、滚轮支承架3、实现滚轮浮动的直线滚动导轨副4，以及包括预紧压簧5、测力传感器6在内的加力机构构成测量头。调节螺钉7可用于适当调整正压力值的大小。
具体实施中，标准滚轮2为图3所示的防滑型，防滑型标准滚轮2是在滚轮的轮面上沿其圆周方向开设沟槽，沟槽中放置有防滑胶圈9。可以采用标准件“O”型橡胶密封圈。
为排除大平板1可能产生的凹陷和偏移对标定结果的影响，在图1中所示的实验装置中，在标准滚轮2的直径两端分别设置微位移测量头A和B，其中，微位移测量头B处于标准滚轮2与大平板1相触位置处，微位移测量头A处于相对的标准滚轮2的另一侧。
实验结果分析及数据处理实验时旋动调节螺钉7，分别记录测力传感器6和A、B两微位移测量头的读数。表1为标准滚轮受压变形的标定实验结果。其中，F为测力传感器读数(N)，δ为A、B两微位移测量头读数改变量之差(um)
表1 以表1所列示的测量力F与变形量δ平均值之间的关系曲线图如图4所示。
该实验装置中，由于滚轮上嵌有O型橡胶密封圈，实验加力过程中，一开始是O型密封圈在逐步被挤压，δ值变化很大，当施加力F＞15.3N时，密封圈全部被挤压，滚轮开始与大平板接触。此时，由图4可初步判断F与δ之间是线性关系，利用最小二乘法进行线性回归，得到两者间关系的数学模型。
令x＝F y＝δ可设y＝b0+bx则b=lxylxx]]>b0＝y-bx N＝16lxx=Σt=1Nxt2-(Σt=1Nxt)2/N=33231.3344]]>lxy=Σt=1Nxtyt-(Σt=1Nxt)(Σt=1Nyt)/N=657.0074]]>所以b＝657.0074/33231.3343＝0.01977 b0＝12.3-0.01977×85.33125＝10.613即δ＝10.613+0.01977F (2)
利用F检验法对该回归方程进行显著性检验。
U=Σt=1N(yt-y‾)2=blxy=12.9889]]>Q=Σt=1N(yt-y‾t)2=lyy-blxy=0.0476]]>F=U/1Q/(N-2)=1092.652≥F0.01(1,14)=8.86]]>说明该线性回归是高度显著的。
去除O型密封圈的变形量(即F＝15.3N时对应的δ值)，则滚轮工作状态下受力变形与测量力之间的数学关系式应为δ＝10.613+0.01977F-10.958＝-0.345+0.01977F(3)在实际测量过程中，则可利用公式(3)对滚轮变形带来的测量误差进行实际修正，如果正确调整测量力大小以保证测量过程中，变形量的变化范围均位于图4所示曲线的线性区域内，则可大大减小滚轮变形对测量结果的影响，提高滚轮法的测量精度，解决大尺寸直径在线高精度检测的难题。
关于依上述方法进行误差修正的高精量测量头装置参见图2、图3，该装置包括与被测工件8摩擦啮合的标准滚轮2、滚轮支承架3、实现滚轮浮动的直线滚动导轨副4，以及包括预紧压簧5在内的加力机构。本实施例中，该装置是在加力机构中设置测力传感器6，测力传感器6为标准滚轮2与被测工件8之间的正压力测力传感器。调节螺钉7可用于适当调整正压力值的大小为了保证精度，本实施例中将标准滚轮2设置为如图3所示的防滑型，防滑型标准滚轮2是在滚轮的轮面上沿其圆周方向开设沟槽，沟槽中放置有防滑胶圈9。可以采用标准件“O”型橡胶密封圈。对于直径为Φ110、宽为18的标准滚轮，可以在其轮面上沿圆周方向开设两道沟槽，沟槽内放置Φ103×3.55的“O”型防滑胶圈，其高度稍微高出标准滚轮接触轮面。另外，为了保证被测工件轴与标准滚轮转动轴之间互相平行，以消除滚轮与转动轴安装时存在的同轴度误差，将标准滚轮2与其转动轴10设置为一整体结构。
工作过程中通过加力机构施加滚轮与被测工件之间必须的正压力，以产生足够的摩擦力来带动滚轮对滚，与滚轮同轴安装的圆光栅精确测量滚轮的转角，滚轮及滚轮支承架通过支承在直线滚动导轨副中的浮动性，以防止被测工件跳动对测量结果的影响。
由于胶圈具有弹性，通过加力装置保证标准滚轮被测工件直接接触，因而胶圈可有效地增加标准滚轮与被测工件之间的摩擦力，避免打滑。
未加胶圈时，正压力为F下标准滚轮与被测工件之间的摩擦力f1＝k1F，其中，k1为钢-钢的摩擦系数，一般为0.10-0.20。
加上胶圈之后的摩擦力f2＝k1F2+k2F1其中，k2为胶圈-钢的摩擦系数，一般为0.50-0.70，F1为胶圈全部压缩进所需的正压力，F2为此时标准滚轮与被测工件之间的正压力，显然F＝F1+F2。
那么增加的摩擦力为Δf＝f2-f1＝(k2-k1)F1。
实验结果显示，当施加的正压力F1＝11.4N时，胶圈全部被压缩，此时标准滚动与被测工件开始接触。实际测量时，若标准滚轮与被测工件的正压力为50N，两者之间的摩擦力为f1＝50×0.15＝7.5N，加上胶圈以后增大的摩擦力为Δf＝0.5×11.4＝5.7N。
具体实施中，沟槽宽度及深度的设计，要使得施加正压力后，胶圈能被全部挤压在沟槽内，以确保标准滚轮与被测工件的直接接触。
该装置一方面通过增大滚轮与被测工件间摩擦系数以避免“打滑”，提高测量精度。另一方面，按照以上方法，依据压力与变形的关系曲线，实时测得滚轮所受压力，进而修正滚轮变形所带来的测量误差，保证测量精度。
权利要求
1.滚轮变形引起大直径测量误差的修正方法，其特征是通过仿真标定，建立滚轮所受正压力与滚轮变形之间的数学模型，在测量中根据实际测得的测量力，对滚轮受压变形引起的直径误差进行实时修正。
2.一种应用在权利要求1所述修正方法中的标定装置，其特征是以大平板(1)仿真被测工件，由标准滚轮(2)、滚轮支承架(3)、实现滚轮浮动的直线滚动导轨副(4)，以及包括预紧压簧(5)、测力传感器(6)在内的加力机构构成测量头。
3.根据权利要求2所述的标定实验装置，其特征是所述标准滚轮(2)为防滑型，防滑型标准滚轮(2)是在滚轮的轮面上沿其圆周方向开设沟槽，沟槽中放置有防滑胶圈(9)。
4.根据权利要求2或3所述的标定实验装置，其特征是在所述标准滚轮(2)的直径两端分别设置微位移测量头A和B，其中，微位移测量头B处于标准滚轮(2)与大平板(1)相触位置处，微位移测量头A处于相对的标准滚轮(2)的另一侧。
5.一种应用权利要求1所述方法修正误差的高精度滚轮法测量头，包括与被测工件(8)摩擦啮合的标准滚轮(2)、滚轮支承架(3)、实现滚轮浮动的直线滚动导轨副(4)，以及包括预紧压簧(5)在内的加力机构；其特征在是所述加力机构中设置测力传感器(6)，所述测力传感器(6)为标准滚轮(2)与被测工件(8)之间的正压力测力传感器；标准滚轮(2)为防滑型，防滑型标准滚轮(2)是在滚轮的轮面上沿其圆周方向开设沟槽，沟槽中放置有防滑胶圈(9)。
全文摘要
滚轮变形引起大直径测量误差的修正方法、标定装置及其应用，其特征是通过仿真标定，建立滚轮所受正压力与滚轮变形之间的数学模型，在测量中对滚轮受压变形进行实时修正。本发明一方面通过增大滚轮与被测工件间摩擦系数以避免“打滑”，提高测量精度。另一方面，依据压力与变形的关系曲线，在加力机构中设置测力传感器，实时测得滚轮所受压力，进而修正滚轮变形带来的测量误差，保证测量精度。
文档编号G01B5/02GK1566896SQ0313218
公开日2005年1月19日 申请日期2003年7月4日 优先权日2003年7月4日
发明者余晓芬, 许彦鑫, 丁晓牧, 曾汉平, 金施群, 陈晓怀 申请人:合肥工业大学, 安徽省长江计量所