[发明专利]基于同步运动式圆度误差分离装置及方法

说明书

本发明基于基于同步运动式圆度误差分离装置及方法属于精密仪器制造及测量技术领域；该方法主要在超精密圆度测量仪中引入一个可以与超精密圆度误差测量仪旋转主轴同向跟随旋转的误差分离转台，通过三次测量含有不同系统分量的圆周信号，分离出被测件的圆度误差、超精密圆度测量仪器的主轴径向回转误差和误差分离转台的径向回转误差中的任意一种，与应用最广泛的多步法相比，此方法完全在空域中解决问题，不涉及傅里叶变换，完全避免了谐波抑制，且测量与计算过程简单，无模型误差，为超精密级圆度误差分离提供了一种新的思路。

技术领域

本发明基于同步运动式圆度误差分离装置及方法属于精密仪器制造及测量技术领域。

背景技术

近年来，超精密加工领域的不断发展，直接导致了很多加工设备加工的精度没有相对应的检测设备，从而无法进一步提高加工精度。以圆度为例，现代天文望远镜的圆度误差已达到±5nm，航天飞船上的陀螺仪圆度要求小于10nm，高精度密度基准的硅晶球任意截面圆度误差已达到10nm以内，而现在最高精度的圆度测量仪的仪器主轴径向回转误差也在±10nm左右，无法测量这些超高精度零件的圆度误差。仅靠传统工艺等硬技术已经很难提高圆度测量仪器的精度，必须采用误差分离技术(Error Separation Techniques，EST)，来分离出圆度测量仪自身的系统误差。

一般来讲，现在所使用的圆度误差分离方法主要分为两种大方法，多转位法与多测头法，多转位法是通过增加一个误差分离转台，使误差分离转台带动被测件的多个转位测量来实现误差分离，多测头法是通过增加传感器的个数和布局来实现圆度误差分离。

反向法属于多转位法，但在测量过程中需要停止测量仪器的测量状态，同时将被测件与传感器的方向变换180度，这其中需要重新调整被测件与圆度测量装置的同心，增加了人的干预，也无法保证的确变换了180度，只能靠人眼估计，不利于自动化测量。

而多转位法中使用最广泛的多步法，因为存在谐波抑制问题的硬伤，在此基础上发展起来的全谐波法，多重多步法，全都是以时间换空间，增加测量的转位数，加长测量时间，引入更多的测量误差，如传感器存在线性漂移，电气噪声等，这些都不利于高速高效的测量。

专利“单转位圆度误差分离方法”中的单转位法是在多转位法的基础上进行进一步的简化，其本质与多步法是一致的，得到的结果也与多转位法保持一致。上述几种方法均是以傅里叶变换为模板，对采集到的信号进行分析处理，但容易有奇异点，对奇异点附近的值有无限放大的影响，并未完全解决谐波抑制的问题，只能在一定范围内无谐波抑制。

多测头法是通过增加传感器的个数(两个或两个以上的传感器法称为多测头法)，并合理布局来实现圆度误差分离。两点法是两个测头成180度放置，三测头法是将三个传感器呈一定角度放置，四测头法也仅仅是在三测头上增加了一个传感器，混合法是将三测头法中的一个位移传感器换成角度传感器，正交混合法是将一个位移传感器一个角度传感器呈90度放置，这几种方法都是将采样得到的几路信号进行傅里叶变换和反变换，得到圆度测量仪的轴系误差和被测件的圆度误差。但缺点也是很明显的，如传感器个数的增加会导致各个传感器的特性不一致，传感器的布局不在同一个测量截面上，传递函数存在零点等问题。

以上方法存在的问题是，1、将信号用傅里叶变换到频域中进行误差分离，得到分离信号的频谱信息，再进行傅里叶反变换，最终得到分离后的信号，计算复杂，有截断和舍入误差；2、由于使用了傅里叶变换，使分离信号存在谐波抑制的问题，模型存在原理误差，相对应的改善方法只能解决一定范围内无谐波抑制，不能实现全波段无谐波抑制；3、不能同时分离出被测件的圆度误差、超精密圆度测量仪器的主轴径向回转误差和误差分离转台的径向回转误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了基于同步运动式圆度误差分离装置及方法，该装置及方法不仅只在空域进行分离，不需要傅里叶变换，计算简单，而且全波段内无谐波抑制，此外还具有同时分离出三个误差(被测件的圆度误差、超精密圆度测量仪器的主轴径向回转误差和误差分离转台的径向回转误差)的技术优势。