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圆度

圆度是指工件的横截面接近理论圆的程度,最大半径与最小半径之差为0时,圆度为0,测量工具为圆度仪,用途是测环形工件的圆度。

颗粒棱角越多越尖锐则圆度越差;反之棱角圆滑,圆度就好。碎屑颗粒圆度可用公式P=Σr/NR计算求出。式中Σr=r1+r2+r3……+rn为颗粒各角的曲率颗粒最大投影面上圆度的测量半径总和,R为该颗粒轮廓内最大内接圆半径,N为所测角的曲率半径的数目。卢赛尔等(1937年)曾分出五种颗粒类型:棱角状、次棱角状、次圆状、圆状、极圆状,并提出相应的圆度数值。当对碎屑沉积物的圆度作整体分析时,要求出所有碎屑的平均圆度,这时,可统计各类圆度等级的颗粒数按加权平均法求其平均圆度即可。主要功能

可快速测环形工件的圆度、表面波纹度(Wc、Wp、Wv、Wt、Wa、Wq、Swm)、谱分析、波高分析、、同心度、垂直度、同轴度、平行度、平面度、轴弯曲度、偏心、跳动量等。

圆度是限制实际圆对理想圆变动量的一项指标,其公差带是以公差值t为半径差的两同心圆之间的区域。圆度公差属于形状公差,圆度误差值不大于相应的公差值,则认为合格,下图为圆度公差标注图:

圆度误差评定有4种主要方法。

①最小区域法:以包容被测圆轮廓的半径差为最小的两同心圆的半径差作为圆度误差。

②最小二乘圆法:以被测圆轮廓上相应各点至圆周距离的平方和为最小的圆的圆心为圆心,所作包容被测圆轮廓的两同心圆的半径差即为圆度误差。

③最小外接圆法:只适用于外圆。以包容被测圆轮廓且半径为最小的外接圆圆心为圆心,所作包容被测圆轮廓的两同心圆半径差即为圆度误差。

④最大内接圆法:只适用于内圆。以内接于被测圆轮廓且半径为最大的内接圆圆心为圆心,所作包容被测圆轮廓两同心圆的半径差即为圆度误差.

圆度测量方法主要有回转轴法、三点法、两点法、投影法和坐标法、直接利用数据采集仪连接百分表法。

1、回转轴法

利用精密轴系中的轴回转一周所形成的圆轨迹(理想圆)与被测圆比较,两圆半径上的差值由电学式长度传感器转换为电信号,经电路处理和电子计算机计算后由显示仪表指示出圆度误差,或由记录器记录出被测圆轮廓图形。回转轴法有传感器回转和工作台回转两种形式。前者适用于高精度圆度测量,后者常用于测量小型工件。按回转轴法设计的圆度测量工具称为圆度仪。

2、三点法

常将被测工件置于V形块中进行测量。测量时,使被测工件在V形块中回转一周,从测微仪(见比较仪)读出最大示值和最小示值,两示值差之半即为被测工件外圆的圆度误差。此法适用于测量具有奇数棱边形状误差的外圆或内圆,常用2α 角为90°、120°或72°、108°的两块V形块分别测量。

3、两点法

常用千分尺、比较仪等测量,以被测圆某一截面上各直径间最大差值之半作为此截面的圆度误差。此法适于测量具有偶数棱边形状误差的外圆或内圆。

4、投影法

常在投影仪上测量,将被测圆的轮廓影像与绘制在投影屏上的两极限同心圆比较,从而得到被测件的圆度误差。此法适用于测量具有刃口形边缘的小型工件。

5、坐标法

一般在带有电子计算机的三坐标测量机上测量。按预先选择的直角坐标系统测量出被测圆上若干点的坐标值x、y,通过电子计算机按所选择的圆度误差评定方法计算出被测圆的圆度误差。

6、利用数据采集仪连接百分表法

测量仪器:偏摆仪、数据采集仪。

测量原理:数据采集仪会从百分表中自动读取测量数据的最大值跟最小值,然后由数据采集仪软件里的计算软件自动计算出所测产品的圆度误差。

优势:

1)以较低的成本提高测量效率:与类似产品比较,其成本非常低,测量效率有较大的提高;

2)提高测量的准确性:传统方式采用测量人员的目视观看的方法容易导致错误的测量结果;

3)数据可追溯:保存数据记录,并可进行追溯与分析,传统模式由于无实时的记录,可追溯性较差分析;

4)可装配多个指示表,同时进行检测,可更大程度上提高检测的效率

5)可根据规格指标,自动提示测量的结果(NG或PASS)

测量仪器很多,然而使用不同仪器会产生不同测量误差。本文介绍了用光学分度头测量圆度误差时所建立的数学模型,分析了各种误差对测量误差的影响,从而为在保证测量精度的同时降低测量成本提供了理论依据。

测量方法

圆度误差的评定方法有4种:最小包容区域法,最小外接圆法,最大内切圆法,最小二乘法。由于最小二乘法简便易行, 长期以来甚为流行。测量圆度误差的方法虽有多种,但最为合理、用得最多的是半径法。 为此,通过采用半径测量法在光学分度头上用千分表测量圆度误差,并对测量数据进行最小二乘法计算,以求得圆度误差值。测量时,将被测量工件顶在光学分度头的两顶尖间, 将指示表置于被测量横截面上,测量其半径的变化量Δr,即利用光学分度头将被测圆周等分成n个测量点,当每转过一个θ=360°/n角时,从指示表上读出该点相对于某一半径R0的偏差值Δr,由此测得所有数据Δri。

建立数学模型

见图1,若实际被测表面的位置用极坐标(ri,θi)来表示,则

ri=ecos(θi-α)+[(R+Δri)2-e2sin(θi-α)]1/2。..........(1)

式中:i--测点数,i=1,2,……,n

Δri--半径偏差观察值;

e--最小二乘圆圆心O1(a,b)的偏移量,a=ecosα,b=esinα。

由于圆度误差精度测量的特点,在测量之前必须调整零件的回转轴线,使a,b之值较小,满足“小偏差假设”, 并且零件的圆度误差和其半径相比是微量,称为“小误差情况”,于是式(1)近似为ri=e(θi-α)+R+Δri,因此根据最小二乘法原理有

E2=∑ni=1Δr2i=∑ni=1〔ri-R-ecos(θi-α)〕2=min。 …(2)

根据?э(E2)/эR=0,э(E2)/эe=0,э(E2)/эα=0,可得

∑ni=1ri-nR-e∑ni=1cos(θi-α)=0

∑ni=1ricos(θi-α)-R∑ni=1cos(θi-α)-e∑ni=1cos2(θi-α)=0 ....(3)

∑ni=1risin(θi-α)-R∑ni=1sin(θi-α)-e∑ni=1cos(θi-α)sin(θi-α)=0。

如果各测点均布圆周,且n充分大,则

∑ni=1cos(θi-α)=0,∑ni=1sin(θi-α)=0,

∑ni=1cos2(θi-α)=n/2,∑ni=1sin2(θi-α)=n/2,

∑ni=1cos(θi-α)sin(θi-α)=0,经简化计算,式(3)的解为

a=2/n∑ni=1Δricosθi

b=2n∑ni=1Δrisinθi

Δr=1/n∑ni=1Δri

R=R0+Δr。...........................(4)

于是,被测圆上各点到最小二乘圆之径向距离为εi=Δri-Δr-acosθi-bsinθi,则圆度误差为Δf0=εmax-εmin。

量仪的回转精度引起的误差

回转轴线在回转过程中,对轴线平均位置的相对位移即为回转误差运动。误差运动使回转轴在每一瞬时发生轴向窜动和径向跳动,使被测工件一转内的采样点不全在一个横截面内,从而使各采样点间的相关性降低。但是,由于轴向窜动一般很小,而实际工件被测表面是平滑的,测头在被测表面采样时,也不可能是纯粹的点接触,而是小面积接触,因此轴向窜动对测量精度的影响可以忽略。

径向跳动误差将直接传递到采样数据Δri中,进而影响最小二乘圆心坐标的计算精度。由式(4)可得〔2〕da=db<2d√nd(Δrmax)。因此, 径线回转精度是圆度误差测量中极为重要的精度指标。对于光学分度头,是用顶尖装夹工件,其回转精度则由顶尖精度和被测工件顶尖孔的形状精度共同决定。

偏心e引起的误差

由于测量时的回转中心O与最小二乘圆的圆心O1不重合,存在偏心e=OO1,式(2)中Δri=ri-R-ecos(θi-α)是式(1)用R+Δri代替[(R+Δri)2-e2sin2(θi-α)]1/2(其中α=arctgb/a)得到的,所以e引起的误差为δe=R+Δri-[(R+Δri)2-e2sin2(θi-α)]1/2,把上式展开成Talor级数得δe=e2/2(R+Δri)sin2(θi-α),因sin2(θi-α)≤1,且R+Δri≈ri,则δemax=e2/2ri。由于e是微米级,ri是毫米级,所以此项误差一般很小,可忽略。

测头安装误差

测头安装误差示意见图2。当测头的位置不通过被测工件的轴线而偏离距离为Δ时,则相应的偏离角为:θ=arcsinΔR,若被测表面半径有增量Δr时,测头的实际位移为AB,其测量误差δθ=AB-Δr,因为Δr,AB<<R,∠ABO≈θ,则Δr=ABcos∠ABO≈ABcosθ,所以δθ≈Δrcosθ-Δr=(1/cosθ-1)=2sin2θ/2Δr。

由于θ角很小,用θ弧度值代替sin(θ/2)得δθ=AB-Δr≈2sin2(θ/2)Δr=θ2/2Δr。因此,测头安装误差很关键,尤其在测小直径时必须注意测头位置。通常应使θ≤10°,即e/R≤0.15,此时δθ≤2%。

测点数对测量误差的影响

由于在轮廊上实测有限数量的点来代替被测实际轮廊的全貌,在原理上就存在了误差。为了减少此误差, 应合理选择测点数。用计算机对圆度谐波进行模拟,利用数值积分可以求出对应于一定谐波时各种测点的不确定度,随测点数增加,测量不确定度下降。

综上所述,用最小二乘法计算圆度误差,采用分度头测量时,仪器的回转精度、测头的安装误差及测点数是产生测量误差的主要因素。 应尽量设法减少其影响,从而提高测量精度。

现场圆度测量,方法通常有三种:1、标准设备,如圆度仪等;2、两点、三点法测量,测量方法见国家标准“GB/T 4380-1984:确定圆度误差的方法 二点、三点法”;3、近似测量,如千分尺,带表卡规等。


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