大型超精密平面度在線測(cè)量與誤差補(bǔ)償技術(shù)
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對(duì)于平面度在線測(cè)量，可以采用四測(cè)頭電容式組合傳感器裝置安裝在加工機(jī)床的z軸上，按一定的測(cè)量走點(diǎn)路徑對(duì)工件表面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果中迭加了兩項(xiàng)誤差：基準(zhǔn)誤差(即導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副誤差)和工件表面誤差。因此，要精確測(cè)量工件平面度，必須采用誤差分離技術(shù)。
對(duì)平面度在線測(cè)量可以采用三或四傳感器進(jìn)行。其中三傳感器布置方式如圖1所示。傳感器邊距為L(zhǎng)，這樣以 L長(zhǎng)為間隔可將被測(cè)平面分為M行N列網(wǎng)格，處于網(wǎng)格上的點(diǎn)即為被測(cè)量點(diǎn)，三傳感器分別標(biāo)記為(k，l)(k，l＝1，2)，對(duì)應(yīng)第i行j列上的測(cè)量點(diǎn)標(biāo)記為(i，j)。以傳感器(l，l)的零點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)。則傳感器(1，2)、(2，1)的初始位置偏差分別記為）Δ12、Δ21。
對(duì)于平面度形狀誤差的誤差分離方法，可以采用遞推逐次兩點(diǎn)(TSTP)法和最小二乘逐次兩點(diǎn)(LSSTP)法。對(duì)于大型精密、超精密平面度在線測(cè)量，則應(yīng)采用混合逐次兩點(diǎn)(HSTP)法，對(duì)于精密小平面工件，采用二維最小二乘插值逐次兩點(diǎn)(LSISTP)法進(jìn)行誤差分離，
2．1測(cè)量誤差源分析
逐次兩點(diǎn)誤差分離方法是以采樣公式(1)為分析處理基礎(chǔ)的，但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于各種因素的影響，采樣獲得的傳感器信息中不僅包含運(yùn)動(dòng)副誤差和測(cè)量平面形狀誤差，而且還帶有各種噪聲信號(hào)。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究情況表明，影響采樣數(shù)據(jù)的誤差源很多，如漂移誤差、隨機(jī)噪聲誤差、采樣量化誤差、擺角誤差、各種低頻振動(dòng)、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)等。對(duì)于大型 CNC超精密平面磨床而言，影響在線測(cè)量系統(tǒng)精度的因素主要有以下，幾項(xiàng)：漂移誤差、隨機(jī)噪聲誤差、傳感器電源及導(dǎo)軌氣源波動(dòng)、機(jī)床振動(dòng)。
由于環(huán)境條件等的緩慢變化引起傳感器中頻漂移，尤其對(duì)于大工件測(cè)量時(shí)所需時(shí)間較長(zhǎng)，漂移誤差的影響更大。但理論研究及分析表明：若傳感器漂移曲線相同，則漂移誤差影響可以通過(guò)分離處理消除，這樣在設(shè)計(jì)制作傳感器時(shí)盡量保證傳感器的特性相近，則環(huán)境變化對(duì)傳感器的影響基本相同，漂移誤差的影響得到抑制。
在線測(cè)量的環(huán)境不能算太好，采樣測(cè)量中不可避免存在各種各樣的干擾，‘如振動(dòng)、電磁干擾、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)、傳感器電路不穩(wěn)定等等，都會(huì)使得采樣值中存在隨機(jī)噪聲誤差。通過(guò)幾種算法處理過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)：采用最小二乘處理進(jìn)行誤差分離的辦法可以減少隨機(jī)噪聲的影響。
傳感器電源紋波、導(dǎo)軌氣源波動(dòng)和機(jī)床振動(dòng)都會(huì)對(duì)傳感器采樣值產(chǎn)生影響，因此需要分別采取措施減少影響。另一方面，由于其作用對(duì)幾個(gè)傳感器是相同的，因此誤差分離處理時(shí)，它們只影響導(dǎo)軌分離精度，而對(duì)工件表面分離結(jié)果沒(méi)有影響。
2.2 實(shí)用誤差分離方法的討論
對(duì)于平面度形狀誤差在線測(cè)量，可以采用TSTP法、LSSTP法、HSTP法、ILSSTP法等。其中TSTP法具有處理過(guò)程簡(jiǎn)單、速度快的特點(diǎn)，但該方法的分離結(jié)果容易積累測(cè)量噪聲誤差，特別是大型工件在線測(cè)量的場(chǎng)合，分離精度較低：LSSTP法則可以抑制隨機(jī)噪聲的影響，得到更高精度的測(cè)量結(jié)果，該方法將多項(xiàng)誤差通過(guò)一次處理得到，這樣可能因?yàn)檎`差均化而導(dǎo)致分離結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)于大型平面測(cè)量，由于處理矩陣太大而使得算法實(shí)現(xiàn)非常困難且可能導(dǎo)致浮點(diǎn)運(yùn)算誤差。HSTP法實(shí)現(xiàn)了單項(xiàng)誤差分離處理，它以TSTP方法得到的結(jié)果作為初始值通過(guò)共軛梯度法迭代逼近可以實(shí)現(xiàn)大型平面快速精確的誤差分離。該方法避免了LSSTP方法可能產(chǎn)生的誤差均化及浮點(diǎn)運(yùn)算誤差p大型超精密平面度測(cè)量采用該方法最為合適。這三種方法的測(cè)量間隔等于測(cè)頭間距而不能變更，這樣對(duì)于中小型平面測(cè)量會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠精確。ILSSTP法可以實(shí)現(xiàn)以小于測(cè)頭間距的間隔進(jìn)行測(cè)量并抑制隨機(jī)噪聲的影響，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)較多時(shí)也可以采用共軛梯度迭代逼近的辦法得到精確的分離結(jié)果。作為ILSSTP法的特例，對(duì)于直線度在線測(cè)量同樣可以通過(guò)最小二乘處理得到高精度分離結(jié)果。
3 平面度評(píng)價(jià)方法
目前對(duì)平面度的評(píng)估主要有四種方法：方格法、對(duì)角線法、最小二乘法和最小包容區(qū)域法。前兩種方法處理比較簡(jiǎn)單，在工程現(xiàn)場(chǎng)上應(yīng)用較多，但其結(jié)果存在偏差。最小二乘法也是一種簡(jiǎn)單快捷的近似評(píng)估方法，易于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，其評(píng)估結(jié)果誤差相對(duì)較小。最小區(qū)域法符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的最小條件原則，其評(píng)估結(jié)果唯一且比前幾種方法都精確，故而最受重視，其實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為復(fù)雜，很多學(xué)者采用了各種不同算法來(lái)實(shí)現(xiàn)該方法。在進(jìn)行最小區(qū)域法實(shí)現(xiàn)時(shí)，各種文獻(xiàn)提供了數(shù)十種求解算法，常用的有基面旋轉(zhuǎn)法、坐標(biāo)變換法、優(yōu)化法、特征點(diǎn)法和作圖法等，這些算法都有各自的優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于大型超精平面測(cè)量處理而言，數(shù)據(jù)點(diǎn)太多。對(duì)如此多的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)處理，前面提供的算法效率都太低，處理時(shí)間太長(zhǎng)。針對(duì)這種情況，我們提出了一種對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理的計(jì)算機(jī)算法，大大提高了處理效率。
算法的主要思路是通過(guò)優(yōu)化搜索序列、通過(guò)置換法尋找特征點(diǎn)、用判別準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證、再循環(huán)搜索、直到得到滿足條件的特征點(diǎn)為止。為提高搜索速度，綜合幾種方法的優(yōu)點(diǎn)，采取了最小二乘預(yù)處理、分組設(shè)定優(yōu)先順序、選定搜索方向等多條優(yōu)化措施。 電容傳感器相關(guān)文章:電容傳感器原理
評(píng)論