基于免形状测量模式的复杂形状测量机设计

　　1 引 言

　　在现代制造与科学研究中，常常存在被测对象形状类型及参数未知的情况。例如: 修形齿轮、非球面光学元件、发动机变椭圆活塞等，它们都是关键零部件，如何实现形状误差测量与评定，已成为精密测量测量的现实问题[1]。

　　传统测量模式要求知道被测对象的名义几何模型和设计参数，测量仪器的设定也依赖于这些模型和参数[2];反求工程的测量过程虽不依赖于被测对象 的几何信息，但它不能提出具有清晰结构特征的名义模型[3]，也不能进行测量不确定评定。总之，现有的测量模式及仪器不能精确测量名义模型未知的被测对 象。

　　针对这一问题，作者提出了“免形状测量模式”[4]，并基于该模式研制了复杂形状测量机，以测量未知几何模型和参数的几何形状。

　　2 免形状测量模式

　　2. 1 免形状测量模式

　　如图 1 所示，免形状测量模式的基本思路是[5]: 通过高精度测量，获取被测轮廓的离散“数据微粒”，以此提取该轮廓的几何内在特征量; 同时建立典型几何要素( 如直线、圆、椭圆、渐开线、摆线、抛物线等工程中常见曲线)及其内在不变量的理论模型，作为识别被测要素几何形状的准则; 利用数据处理与误差分析软件，将被测轮廓的实际特征量与理论模型经过逼近比较，根据几何形状类型识别准则[6]，确定形状类型和参数进而进行误差评定。

　　2.2 对测量仪器的要求

　　获取被测轮廓的几何信息是免形状测量模式的基础。第一，为避免对后续几何形状识别的影响，要求测量仪器的系统误差小并避免粗大误差; 第二，要求所获取的“数据微粒”既能充分反映被测轮廓的几何信息，又应避免数据冗余，因此需进行自动采样; 第三，要求仪器量程满足现代制造和科学研究需要; 第四，要求测量过程实现快速度和微小进给。

　　坐标测量机是测量形状误差的最佳选择。作为一种通用量仪，坐标测量机既能测量国际标准和国家标准规定的形状误差项目，如圆度[7]、圆柱度 [8]、球度[9]等，又能测量标准尚未规定的误差项目，如椭圆度[10]，还能实现专用量仪的测量功能。对于复杂形状，坐标测量机常常是唯一可行的手 段。

　　经历半个多世纪的发展，中小型坐标测量技术已趋成熟，微/纳米坐标测量技术发展较快[11]。中小型测量机的最高精度可达0.4 μm，测量软件符合 DMIS 和 I + +标准，可进行二次开发，但它们不能兼顾微小进给和快速测量。近十几年来，微/纳米坐标测量机成为研究热点[12-18]，其主要特点是: 采用激光干涉仪作为标准量，实现米定义的溯源; 采用微测头获得高探测精度; 采用微晶玻璃等特殊材料构筑测量框架，减小或消除温度影响; 结构布局上符合阿贝原则。微/纳米坐标测量机量程较小，测量速度慢，且因其专门的控制系统和测量软件，难以进行二次开发，不能自动测量几何模型及参数未知 的被测对象。