鄧霜梅，李夢奇，梁玉鵬，王 斌

（邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽 422000）

平面度誤差即是形位誤差最基本的幾何要素，也是形位誤差檢測工件制造不可缺少的環(huán)節(jié)。根據(jù)國標(biāo)GB/T11337-1989、GB/T11337-2004：平面度誤差即：被測表面與理想平面的相對變化量 。平面度誤差值的受測量過程、評定過程的影響，這使得平面度誤差評定方法與測量技術(shù)成為現(xiàn)代測量學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

不同平面度誤差測量方法在測量過程中存在著如下問題：直接測量中各種測量方法受測量對象的的尺寸限制占主要因素；間接測量測量過程即受到布線方式影響，又受到測量工件的尺寸大小和外形等因素的制約；組合測量檢測存在不穩(wěn)定性。平面度誤差測量方法不但影響機(jī)器工作表面的質(zhì)量，還決定了檢測效率與精度，因此，對各種測量方法下測量工件，測量精度等方面進(jìn)行分析，是促進(jìn)該測量方法進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)與必要工作。

論述了平面度誤差測量方法中的直接測量；間接測量；組合測量特點(diǎn)，重點(diǎn)對各測量方法的不同以及發(fā)展做了概述性的介紹，最后對平面度誤差測量系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。

1 平面度誤差單個(gè)測量方法

按照檢測平面度誤差的兩個(gè)原則：與理想要素比較原則；測量坐標(biāo)原則，將其測量方法規(guī)定為：直接測量；間接測量；組合測量；各類測量方法如圖1所示。

圖1 平面度誤差的測量方法與測量對象關(guān)系

1.1 直接測量

我國自上世紀(jì)50年代便有成熟的機(jī)床平面度檢測方案，由于缺乏理論方面知識(shí)，阻礙檢測技術(shù)的發(fā)展，常用的直接平面度誤差測量方法有：間隙法；指示器法；光軸法；干涉法；液面法；直接測量即由測量就可直接獲得平面上各點(diǎn)坐標(biāo)值。間隙法測量小平面中精度平面度誤差，指示器測量中小平面、中低精度平面度誤差，干涉法用來測量精研小平面與小光學(xué)元件，光軸法、液面法用來測量大平面且中精度的平面度誤差，各類平面度誤差直接測量關(guān)系如圖1所示。

直接測量中間隙法、指示器法、液面法測量時(shí)與工件表面直接接觸，有易劃傷被測工件表面、速度慢、等問題，計(jì)算機(jī)、光學(xué)技術(shù)等發(fā)展，使得非接觸測量技術(shù)得到了高度重視，建立了由平臺(tái)定位器和激光的平面度誤差非接觸測量系統(tǒng)，該測量具有實(shí)時(shí)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足快速生產(chǎn)線的要求。由于非接觸測量技術(shù)得到高度重視，從光軸法衍生出經(jīng)緯儀法、中間反射鏡法、激光準(zhǔn)直掃描法等成為平面度誤差檢測發(fā)展方向。

利用直接測量方法檢測平面度誤差只能解決模擬的被測要素能與理想要素能做比較的測量對象，對被測要素的測量數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)值而言的測量對象不適用，此時(shí)出現(xiàn)其他的測量方法與其共同使用。

1.2 平面度誤差間接測量方法

利用間接法測量平面度誤差很早就開始了，根據(jù)測量儀器的不同，常用的間接測量有水平儀法、自準(zhǔn)直儀法、跨步儀法、表橋法，間接測量方法與直接測量方法的不同點(diǎn)在于獲得各點(diǎn)的坐標(biāo)值需要通過數(shù)據(jù)處理才能得到。間接測量的平面度誤差值獲得由以下4個(gè)步驟所組成：（1）測量截面和采樣點(diǎn)布置，如下圖；（2）測量方法的選擇；（3）采用累計(jì)方法將測量值換算到坐標(biāo)值；（4）采用評定方法，計(jì)算評定結(jié)果。其中測量布點(diǎn)形式與測量對象、精度關(guān)系如圖2所示。

圖2 測量布點(diǎn)形式

間接測量方法大多測量大、中型平面，其中自準(zhǔn)直儀法測量精度等級高的平面度誤差，各種間接測量關(guān)系如圖1所示。

間接測量數(shù)據(jù)處理量大，在保證測量平面度誤差的準(zhǔn)確性下，簡化人工計(jì)算工程顯得尤為重要。為提高精度，簡化工作量，測量系統(tǒng)經(jīng)過一系列改進(jìn)，先后出現(xiàn)了手動(dòng)測量系統(tǒng)、半自動(dòng)測量系統(tǒng)。手動(dòng)測量時(shí)由于采用手動(dòng)測點(diǎn)、人工處理測量數(shù)據(jù)，存在測量精度低，計(jì)算繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。在計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展基礎(chǔ)上，半自動(dòng)檢測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，不僅出現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)技術(shù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集如：20世紀(jì)八九十年代建立由電子水平儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)處理。

直接法、間接法測量平面度誤差在一定的程度上解決了平面度誤差測量的問題，但存在測量基準(zhǔn)面建立要求高的問題。

2 平面度誤差組合測量

利用組合法測量平面度誤差的精度是最高的，也是目前使用最廣泛，早期常用反向消差法與互檢法。組合測量法在誤差分離技術(shù)的基礎(chǔ)上，消除測量基線或者基面本身的平面度誤差，因此對測量基準(zhǔn)面的要求不高。隨著誤差分離技術(shù)的發(fā)展，組合測量方法在檢測中運(yùn)用的越來越多。

2.1 誤差分離技術(shù)

在上世紀(jì)60年代，國外優(yōu)秀的學(xué)者，以提高生產(chǎn)效率為目的，誤差分離技術(shù)取得一定的成效，近年來國內(nèi)在誤差分離技術(shù)上也有一定的成績。

將測量數(shù)據(jù)中的基準(zhǔn)誤差分離出來，獲得工件的實(shí)際誤差即為誤差分離，常見的有：推逐次兩點(diǎn)法；最小二乘逐次兩點(diǎn)法；二維頻域直線三點(diǎn)法等。如：日本學(xué)者Itoigawa R等利用二維傅里葉變換分離出平面形狀誤差的二維頻域直線三點(diǎn)法；王冉等在平面度誤差分析中采用逐次二點(diǎn)法，降低傳感器調(diào)零誤差對平面誤差構(gòu)成的影響；戴曉磊等在三點(diǎn)法誤差分離技術(shù)的基礎(chǔ)上檢測大型環(huán)形工件平面度誤差，提出一種有效的消除調(diào)零誤差的數(shù)據(jù)處理算法。基于以上可知工件的平面度誤差的在線檢測脫離不了誤差分離。

2.2 平面度誤差在線檢測

將檢測和加工集合在一起，從而實(shí)現(xiàn)檢測加工一體化的平面度誤差檢測方法稱為平面度誤差在線檢測。20世紀(jì)60年代，在線監(jiān)測技術(shù)依靠國外技術(shù)梁耀輝提出在現(xiàn)有電測方案，提出高精度、高效率的群測方案。陳曉梅等采用非接觸式紅外線測量，獲得一種新型的在線尺寸檢測技術(shù)；南京電子技術(shù)工作人員采用該技術(shù)對重要產(chǎn)品進(jìn)行高精度尺寸精度與形位誤差在線檢測?；跀?shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)在線檢測的一個(gè)有效手段，王冉、張庚申基于數(shù)控機(jī)床上安裝多頭傳感器、開發(fā)測量程序與測量數(shù)據(jù)處理軟件，從而實(shí)現(xiàn)在線檢測。通過帶有測頭系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床、硬件平臺(tái)、在線檢測軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助測量軟件組成線檢測系統(tǒng)平臺(tái)，其在線檢測基本原理圖如3所示。利用安裝在機(jī)床的測頭，按照尺寸精度以及形位誤差要求對在線零件加工零件進(jìn)行檢測，將檢測數(shù)據(jù)反饋計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析與處理，同時(shí)由處理結(jié)果對加工參數(shù)、NC程序修改以及做一定的調(diào)整，從而對機(jī)床進(jìn)行控制的同時(shí)，完成加工誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，其在線檢測過程原理圖如圖4所示。

圖3 機(jī)床在線檢測原理圖

圖4 機(jī)床在線檢測過程原理圖

目前平面度誤差在線檢測相關(guān)發(fā)表論文不多，但也指出相關(guān)的問題。王娜采用時(shí)域兩點(diǎn)法解決形狀復(fù)雜的基座的平面度誤差，但該方法存在檢測穩(wěn)定性差，且不能為在線檢測提高指導(dǎo)加工。王雷提出一種水平儀隨機(jī)走位的測量原理，該方法在一定程度長解決傳統(tǒng)跨橋－水平儀法的不足，但需要專口的橋板系統(tǒng)。中科院采用轉(zhuǎn)臺(tái)－懸臂法測量大型多環(huán)帶的平面度同時(shí)檢測，該方法操作簡單，測量精度高，但裝置的穩(wěn)定性根據(jù)環(huán)數(shù)的增加反而隨之降低，不能測量直徑過大的環(huán)帶。

3 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)集成技術(shù)日趨成熟，高精度、高效率、實(shí)時(shí)檢測，復(fù)雜的平面檢測對象成為平面度誤差檢測技術(shù)成為研究重點(diǎn)，在平面度誤差檢測技術(shù)中先已取得一定的進(jìn)展，但實(shí)際應(yīng)用中還存在以下問題有待研究。

（1）接觸式檢測，檢測速度慢，易刮傷零件表面，研究應(yīng)轉(zhuǎn)向高精度、在線非接觸高精度平面度檢測系。

（2）深入誤差補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)誤差模型的通用化、補(bǔ)償實(shí)時(shí)化、精密化等，開發(fā)通用的高精度、高效率在線平面檢測系統(tǒng)。

（3）深入研究單個(gè)在線檢測、多個(gè)在線檢測裝配過程平面度檢測系統(tǒng)。

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