静电陀螺仪转子的超精密圆度测量

　　一、引言

　　五十年代初期，美国A.T.Nordsieck教授提出了静电陀螺的概念。此后二十多年，经历了原理模型、工程样机以及探索性惯导系统等研制阶段，从实验室的珍品发展成高质盘的惯性器件，随机漂移率达到0.0001度/小时。现在静电陀螺监控器已用于美国三叉戟导弹核潜艇上，它使原来MKZmod6型系统的短期精度提高一倍，长期梢度提高两个数量级。造成静电陀螺漂移误差的主要原因是转子不是理想的球体，电场力不通过外球表面的几何中心所造成的。对于直径为10毫米的玻球转子，其球形度误差必须限制在士0.005微米以内。可是毫微米级超精圆球的测量又受到圆度仪主轴回转误差的限制。目前国内使用最多的英国RankTaylorHobson公司生产的圆度仪，其主轴回转误差为0.025微米(Za)，并且近20年来几乎没有改善。七十年代中，D.G.chetwynd和G.J.siddallt”首先将误差分离技术用于实际圆度测量系统，但是作为产品，至今只有Hobson公司的Talyrond 73-3P型圆度仪有此功能，并声称测量精度达到0. 0025微米(2a)，但其价格十分昂贵.

　　本文讨论了几种常用的误差分离方法，并采用多步法研制成计算机辅助毫微米圆度测童系统。该系统已于1990年1月在基金委员会主持下通过了技术鉴定。它将圆度仪的测量精度由原来的0. 025微米提高到0. 002微米(2Q)。已达到的精度足以满足当前精密工程、惯性技术和宇航科学等领域对超精圆球的计量要求。

　　二、误差分离技术

　　误差分离技术是一种利用附加测量信息，经过数据处理减小或消除测量仪器系统误差的专门技术。下面介绍三种常用的误差分离方法。

　　1.反向法②

　　如图1所示，进行两个方位上的圆度测量，工件和测头在第二个方位相对主轴转过1 0000设n为每周采样数，在两个方位上测量方程为

　　式中，P(0),S(0)分别为工件圆度误差和主轴回转误差，V (0)为两者的组合误差. 由式(1)很容易分离出工件和主轴误差，并且在圆度误差全部频谱内都无形状失真.

　　2.三测头法(3)

　　式中，a,s为侧头之间的夹角，x(0),y(0)分别为主轴回转误差沿X,Y轴的分量。 在式(2)中消去x(0)和y (0)，可得

　　适当选择n、a和日，使在工件圆度误差的有效频段内w(动护0，则可避免形状失真。实际上P(0)的高频分盆是很小的，有效频段也不宽，上述要求是可以做到的。此外它还具有实时、在线测盘的优点。

　　3.多步法

　　如图3所示，以主轴上某固定点为采样起始点，每周测量之后，工件相对基座转过冲角，共转位m次，第m次与初始位置重合，以考查系统的重复性。m次转位的测量方程为