主轴回转误差和圆度误差分离技术中测量不确定度的传播机理研究

Error separation techniques (EST) are capable of separating the roundness error from the spindle error, thus, canceling the systematic error caused by the reference imperfections. Unfortunately, after adopting the ESTs, measurement results would still be subject to uncertainties whose amplitude is determined jointly by the probe uncertainty and its propagation law within the ESTs. Therefore, in order to construct high-precision spindle error measurement techniques (HSM), this project will carry out investigations respectively into both factors. With regard to the probe, on the one hand, methodology for evaluating the harmonic uncertainty of the probe will be researched, targeting at facilitating the derivation of the propagation laws of the probe uncertainty; on the other, high-speed CCD camera will be employed instead of the single photodiode, combining with the digital image processing techniques, for further reducing the uncertainty of the laser Doppler distance sensor. Regarding the ESTs, first, the system models will be developed, from which the propagation laws of the measurement uncertainties will be derived; then, strategies for enhancing the ESTs will be investigated for inhibiting the propagation of the measurement uncertainties. Ultimately, the established HSM will be utilized to explore the influences of the spindle error on the machined parts forwardly as well as the causes of the spindle error backwardly, aiming at lying foundations for the control of production quality as well as the traceable improvement of spindle precision.

误差分离技术可将主轴回转误差和工件圆度误差分离开来，消除参考缺陷所引起的系统误差。然而，采用分离技术后，测量结果中依然存在不确定度，其幅值由传感器不确定度和分离方法的不确定度传播共同决定。因此，课题拟对两方面的因素进行全面研究，从而系统地建立起高精密的主轴误差测量技术。针对传感器，拟研究位移传感器不确定度的频域评定方法，以便于传感器不确定度传播机理的推导；此外，采用高速CCD相机替代传统的单像素光电二极管，并结合数字图像处理技术，以进一步降低LDD传感器不确定度。在误差分离方法方面，拟先建立起其测量系统模型，然后推导不确定度的传播方程，在本质上揭示谐波抑制问题；并基于不确定度传播方程，研究分离方法的改进与优化策略，以抑制不确定度在测量过程中的传播。最后，拟将精密主轴误差测量技术用于向后探究主轴误差对加工误差的映射机制，向前寻求主轴误差的产生原因，为加工质量控制、主轴精度提高提供理论支撑。

误差分离技术可将主轴回转误差和工件圆度误差分离开来，实现零系统偏差测量。然而，尽管国内外学者已经开展了大量的研究，特别是针对谐波抑制问题，但是，该技术的测量不确定度仍不可评估且极不稳定。在此背景下，项目进行了三方面的研究。.其一，利用线性系统理论，推导出不确定度在误差分离技术中的传播规律：先建立测量系统模型，并将其表征为拉普拉斯系统方程；对系统方程求偏导，得到不确定度的传播规律，特别是在频域中的传播规律，从而实现不确定度的定量评估；以不确定度为指标，提出改进与优化策略，包含：角度优化、频域杂交与融合，以抑制不确定度的传播。研究首次实现误差分离技术测量精度的定量评估与增强，而且，在本质上揭示、解决了谐波抑制这一长久以来悬而未决的问题。理论研究的基础上，研制出基于误差分离技术的超精密主轴测量仪。.其二，搭建、校核了激光多普勒速度-位移传感器（P-LDD），并利用其位移测量功能，完成了两步法圆度测量。提出基于P-LDD传感器的圆柱直线度在位自校准测量方法：先测量工件表面的切速度；结合主轴转速，估计工件截面的绝对半径；由所有截面的半径，得到圆柱的直线度与锥度。此外，用快速自适应的小波滤波算法来处理传感器输出的光脉冲信号，实现了多普勒频率与滞后相位的准确、快速估计。.其三，借鉴主轴测量技术，研究建立了偏心转子误差运动的测量方法与系统，为偏心转子挤出系统的精度设计、结构刚度优化、工艺参数选择提供了测量学依据。.研究成果发表SCI论文5篇；参加国际会议1次并做报告；申请发明专利3项，其中1项已授权；授权实用新型专利2项。相关研究得到国家自然科学基金委的滚动支持。