平面度誤差測量方法研究

鄧霜梅，李夢奇，梁玉鵬，王 斌

（邵陽學院機械與能源工程系，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節。根據國標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成為現代測量學的一個重點和熱點。

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定性。平面度誤差測量方法不但影響機器工作表面的質量，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，測量精度等方面進行分析，是促進該測量方法進一步發展的基礎與必要工作。

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，重點對各測量方法的不同以及發展做了概述性的介紹，最后對平面度誤差測量系統未來發展的方向。

1 平面度誤差單個測量方法

按照檢測平面度誤差的兩個原則：與理想要素比較原則；測量坐標原則，將其測量方法規定為：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系

1.1 直接測量

我國自上世紀50年代便有成熟的機床平面度檢測方案，由于缺乏理論方面知識，阻礙檢測技術的發展，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坐標值。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系如圖1所示。

直接測量中間隙法、指示器法、液面法測量時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，計算機、光學技術等發展，使得非接觸測量技術得到了高度重視，建立了由平臺定位器和激光的平面度誤差非接觸測量系統，該測量具有實時、速度快等優點，能夠滿足快速生產線的要求。由于非接觸測量技術得到高度重視，從光軸法衍生出經緯儀法、中間反射鏡法、激光準直掃描法等成為平面度誤差檢測發展方向。

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據要轉化成坐標值而言的測量對象不適用，此時出現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，根據測量儀器的不同，常用的間接測量有水平儀法、自準直儀法、跨步儀法、表橋法，間接測量方法與直接測量方法的不同點在于獲得各點的坐標值需要通過數據處理才能得到。間接測量的平面度誤差值獲得由以下4個步驟所組成：（1）測量截面和采樣點布置，如下圖；（2）測量方法的選擇；（3）采用累計方法將測量值換算到坐標值；（4）采用評定方法，計算評定結果。其中測量布點形式與測量對象、精度關系如圖2所示。

圖2 測量布點形式

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

間接測量數據處理量大，在保證測量平面度誤差的準確性下，簡化人工計算工程顯得尤為重要。為提高精度，簡化工作量，測量系統經過一系列改進，先后出現了手動測量系統、半自動測量系統。手動測量時由于采用手動測點、人工處理測量數據，存在測量精度低，計算繁瑣、勞動強度大等問題。在計算機的快速發展基礎上，半自動檢測系統應運而生，不僅出現計算機數據技術，同時也實現了計算機數據自動采集如：20世紀八九十年代建立由電子水平儀和計算機構成的數據采集處理系統，實現了由計算機進行數據處理以及數據處理。

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的基礎上，消除測量基線或者基面本身的平面度誤差，因此對測量基準面的要求不高。隨著誤差分離技術的發展，組合測量方法在檢測中運用的越來越多。

2.1 誤差分離技術

在上世紀60年代，國外優秀的學者，以提高生產效率為目的，誤差分離技術取得一定的成效，近年來國內在誤差分離技術上也有一定的成績。

將測量數據中的基準誤差分離出來，獲得工件的實際誤差即為誤差分離，常見的有：推逐次兩點法；最小二乘逐次兩點法；二維頻域直線三點法等。如：日本學者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法；王冉等在平面度誤差分析中采用逐次二點法，降低傳感器調零誤差對平面誤差構成的影響；戴曉磊等在三點法誤差分離技術的基礎上檢測大型環形工件平面度誤差，提出一種有效的消除調零誤差的數據處理算法。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，從而實現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60年代，在線監測技術依靠國外技術梁耀輝提出在現有電測方案，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；南京電子技術工作人員采用該技術對重要產品進行高精度尺寸精度與形位誤差在線檢測。基于數控機床上實現在線檢測的一個有效手段，王冉、張庚申基于數控機床上安裝多頭傳感器、開發測量程序與測量數據處理軟件，從而實現在線檢測。通過帶有測頭系統的數控機床、硬件平臺、在線檢測軟件系統、計算機輔助測量軟件組成線檢測系統平臺，其在線檢測基本原理圖如3所示。利用安裝在機床的測頭，按照尺寸精度以及形位誤差要求對在線零件加工零件進行檢測，將檢測數據反饋計算機中進行分析與處理，同時由處理結果對加工參數、NC程序修改以及做一定的調整，從而對機床進行控制的同時，完成加工誤差的實時補償，其在線檢測過程原理圖如圖4所示。

圖3 機床在線檢測原理圖

圖4 機床在線檢測過程原理圖

目前平面度誤差在線檢測相關發表論文不多，但也指出相關的問題。王娜采用時域兩點法解決形狀復雜的基座的平面度誤差，但該方法存在檢測穩定性差，且不能為在線檢測提高指導加工。王雷提出一種水平儀隨機走位的測量原理，該方法在一定程度長解決傳統跨橋－水平儀法的不足，但需要專口的橋板系統。中科院采用轉臺－懸臂法測量大型多環帶的平面度同時檢測，該方法操作簡單，測量精度高，但裝置的穩定性根據環數的增加反而隨之降低，不能測量直徑過大的環帶。

3 結語

隨著計算機集成技術日趨成熟，高精度、高效率、實時檢測，復雜的平面檢測對象成為平面度誤差檢測技術成為研究重點，在平面度誤差檢測技術中先已取得一定的進展，但實際應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，研究應轉向高精度、在線非接觸高精度平面度檢測系。

（2）深入誤差補償技術，實現誤差模型的通用化、補償實時化、精密化等，開發通用的高精度、高效率在線平面檢測系統。

（3）深入研究單個在線檢測、多個在線檢測裝配過程平面度檢測系統。

[1]萬文.平面度誤差可視化評定系統研究[J].制造業自動化,2011,33(24): 33-35.

[2]劉淵.誤差理論與數據處理[D].大連:大連理工大學,2009.

[3]雷賢卿,李飛.評定平面度誤差的幾何搜索近算法[J].光學精密工程,2003,21(5):16-18.