轴孔自动测量系统的溯源的一种方法

一种轴孔自动测量系统的溯源方法的研究*贾果欣熊星庭刘柏灵（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072）摘要：以研制的轴孔内径自动测量系统为实验对象，为了实现测量结果的量值溯源，分析了系统结构，从而得到系统存在的主要系统误差源和随机误差源，包括定位误差、测量误差、安装误差、轴向跳动和径向跳动误差。

建立了系统的误差理论模型，并设计校正方案，以环规和三坐标测量机等仪器为标准，得到这些误差值，从而对测量结果进行校正。

测量584mm环规的实验表明，研制系统与激光跟踪仪测量结果一致，内径差值在10μm以内，验证了对各项误差源溯源方法的有效性。

关键词：量值溯源；自动测量系统；误差理论模型中图分类号：TN29文献标识码：A国家标准学科分类代码：460．4035Study on tracing method for automatic measuring system of axle holeJia Guoxin Xiong Xingting Liu Bailing（State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin300072，China）Abstract：The research object is an automatic measurement system that is made for inner diameter measurement of ax-le holes．In order to achieve tracing of measurement value of inner diameter，the structure of the system is analyzed to get main error sources，including systematic error and random error，such as positioning error，installation error，measuring error，radial run out error and axis run out error．The theoretical error model is built，and calibration scheme have been designed with standard provided by ring gauge and CMM（Coordinate Measuring Machine），to ac-quire the main errors value，which could correct measuring results．The experiments of measuring584mm gauge indi-cate that the results of this system and laser tracker are accordant，with difference of inner diameter less than10μm．The result demonstrates the effectiveness of this tracing method proposed in this paper．Keywords：traceability；automatic measuring system；theory of error model1引言在大型装备中，大尺寸轴孔加工精度、配合性能是保证装备质量的重要因素之一，很多大型孔径的测量只能是在现场原位进行［1-2］。

然而目前对现场原位大型轴孔内径的测量仍多采用大型螺旋测微器、大型内径千分尺等量具手工测量。

这些量具测量效率低，受环境和操作人员的影响很大，致使测量误差很大［3］。

近些年，自动化技术、测量方式的改进促使轴孔自动测量技术的发展［4-6］。

为了解决现场大型轴孔内径原位高精度检测问题，研制了一种激光非接触式自动测量系统。

为实现系统对不同尺寸系列的轴孔内径的精确可靠测量，需要对系统的几何参数进行量值溯源［7］。

VIM定义：溯源是指通过一条可靠描述不确定度的不间断比较链，将测量结果与适当标准器相联系，传递至国家标准［8-9］。

一般利用精度更高的标准仪器或采用量块、标准尺和球棒等标准实物来实现测量系统几何参数的量值溯源。

Leica、FAＲO等激光跟踪测量系统是工业测量系统中一种高精度的大尺寸计量测试：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ测量仪器，广泛应用于各种场合作为机械量的传递标准和校准工具。

以本文使用的FAＲO 激光跟踪仪为例［10-11］，它具有35m 的测量范围，内部干涉测量长度精度可达（10+0．8L ）μm 。

本文在分析系统测量原理的基础上，分别用量块和三坐标测量机标定系统的基准长度、支撑杆和测量杆的长度，并对测量结果给予补偿。

通过对比系统与FAＲO 激光跟踪仪对标准环规的测量结果来检验系统几何参数的量值传递的正确性。

2系统的结构特性及测量原理图1为轴孔自动测量系统的整体结构，系统的测量过程如下：用上位机发送指令控制电机驱动测量系统运行至待测截面的位置，然后启动定心电机推动双锥体定心机构让定位杆进行定心，根据电机的反馈电流判断定心是否完成；定心完成后，让扫描电机驱动2个测量杆旋转，激光位移传感器通过无线传输模块将数据发送到上位机处理得到测量结果。

1-激光位移传感器，2-电池盒，3-电气箱，4-定位杆，5-双锥体联动定心机构，6-定心电机，7-上位机，8-无线传输模块，9-同步连接杆，10-扫描电机，11-测量臂，12-运动轮，13-运动电机图1轴孔测量系统的原理Fig．1Schematic diagram of axle hole measuring system 本系统具有如下特性。

光学测量装置在轴孔中的定位精度是影响内径测量结果的主要因素。

本系统提出了一种高精度的同轴定位机构装置，自动定心操作时，由伺服电机提供动力，自动定心机构的3根定位杆等长度进给，定位杆定位到被测孔内壁，实现和被测孔的同心。

由于机构是两个支撑面，故有两个这样的圆心。

此圆心位于轴孔轴线上，这两个圆心的连线就是机构定位的轴线，并与轴孔的实际轴线近似重合，实现了高精度同轴定位的目的，如图2所示。

图2定心原理Fig．2Schematic diagram of centering机构在同轴定心完成后，采用两个同轴分布径向对称的精密测头的方案，测量臂通过滑套固定于测量机构本体主轴上并可绕工作轴线圆周转动。

此结构可以消除定位杆定位的偏心误差和主轴运动产生的轴向跳动，提高测量精度。

本系统采用的是基恩士LK-G30激光位移传感器。

需要检测的轴孔内径范围为5001000mm ，尺寸范围很大，测量精度要求高，现有的激光位移传感器难以满足测量要求。

因此，系统采用了相对测量原理。

由于被测系列的轴孔尺寸固定，所以制作了相应尺寸的定位杆和测量杆。

当测量不同尺寸系列的轴孔时，只需换装对应尺寸的定位杆和测量杆便可满足测量要求。

图3为系统测量原理的数学模型，O 表示测量系统测量时的回转轴线中心，O'表示被测孔内径的实际中心，L 表示测量臂的长度。

图3测量原理的数学模型Fig．3Mathematical model of measurement principle计量测试：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ假设测量臂绕O 点逆时针转动α角，此时与测量臂相连的激光位移传感器的读数用r （α）表示。

所以，当测量臂逆时针转动到第i 点P （i ）时，假设半径为Ｒ（αi ），有以下关系：Ｒ（αi ）=L +r （αi ）（1）将P 点转化为直角坐标，得到对应的坐标为：x （αi ）=Ｒ（αi ）cos αiy （αi ）=Ｒ（αi ）sin α{i（2）激光位移传感器在扫描电机的驱动下旋转一周，每旋转一度就得到一个r （αi ）。

采用最小二乘法拟合测量结果。

3误差理论模型分析系统的误差来源可分为系统误差和随机误差。

分析主要误差来源并通过实验测得误差值。

3．1系统误差该系统的主要系统误差包括：1）定位杆误差定位杆误差会导致系统的测量轴线与被测轴孔的中心轴线不重合，从而造成系统偏心。

图4为系统采用3根长度不同的定位杆时的定心情况，O'为系统的测量中心，O 为被测轴孔的中心。

图4定位杆误差Fig．4The error of the locating rod定位杆误差主要包括定位杆的加工制造误差和热变形误差。

该误差可以通过三坐标测量机测得；而6个定位杆的长度和膨胀系数接近且成120ʎ均匀分布，所以对测量结果产生影响很小，可以忽略。

2）测量杆误差测量杆的材料为碳纤维管，热胀系数为－0．5 0．9ˑ10－6/ħ，引起的形变误差在10－8数量级，所以测量臂的热变形误差可以忽略不计。

因此，测量杆误差主要是测量杆的加工制造误差，可以由三坐标测量机测得。

3．2随机误差1）安装误差包括定位杆安装误差和测量杆安装误差及激光位移传感器安装误差。

定位杆安装误差会导致系统偏心。

测量杆安装误差和激光位移传感器安装误差会造成测量臂倾斜，影响测量结果，如图5所示。

图5测量杆和激光位移传感器的安装误差Fig．5Alignment errors of the measuring rod andthe laser displacement sensor 为了减小安装误差的影响，采用扭力扳手安装定位杆，测量杆及激光位移传感器，同时，设计相关实验得到安装误差对测量结果影响的大小。

2）主轴的加工误差和轴向与径向跳动误差由双锥体构成的主轴，其加工误差主要分为圆锥的锥度误差、轴向的直线度误差和径向的跳动误差。

这些误差会引起被测孔的中心轴线与测量系统的轴线不重合，从而带来直径测量误差。

圆锥体锥度误差如图6所示。

计量测试：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ计量测试：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ图6定位锥体的锥度误差Fig．6The error of the locating cone由图6可知，锥度误差σ所引起的支撑臂定位偏差可表示为：Δ=2L［tan（θ+σ）－tan（θ）］（3）由于被测孔径的不一，系统每次测量时支撑臂的定位长度不一样，主轴圆锥体的定位面也不一样，所以锥度误差也会随着定位面的改变而发生改变。

主轴的轴向直线度误差和径向跳动误差会引入测量轴线的偏差，对测量结果产生波动影响。

3．3误差理论模型通过大量的实验发现，轴孔内径测量系统的误差主要分为4个部分：定位杆误差e1、测量杆误差ΔL、主轴的加工误差和径向跳动误差、安装误差。