圓柱度量值溯源中的幾個關鍵技術基礎與方法研究

項目摘要

針對圓柱度量值溯源中的幾個關鍵技術基礎和方法進行研究，主要內容：1、建立雙偏置參數圓和圓柱輪廓測量模型，該模型中同時包含感測器測量線偏移和試件偏心兩個偏置誤差參量，研究各偏置誤差參量對測量的影響機理和作用規律；同時提出一種基於非線性最小二乘擬合原理和單純形尋優估計的偏置參量精確求解和分離算法；2、提出一種基於圓柱標準器自身特徵參照的基準間位置誤差分離方法，在不破壞儀器原有測量狀態的前提下，充分利用圓柱標準器自身幾何特徵的參照作用，解析分離出基準間位置誤差；3、提出基於圓柱標準器多組互比的基準間位置誤差分離精度校準方法；4、主要技術指標：包含溫度漂移和機械漂移等在內的全部測量誤差對基準間位置誤差分離精度的影響小於25nm/100mm。該項目的完成，可為統一圓柱度量值溯源方法提供一種全新而有效的技術途徑，並有望引領超精密測量儀器和加工裝備校準技術的快速發展。

結題摘要

隨著超精密工程技術的發展，傳統的圓柱度量值溯源方法已無法滿足新的測量精度需求,直接影響和制約著下一代先進制造和測量技術的發展。為突破傳統的圓柱度量值溯源方法技術瓶頸，探索更為科學、完善的量值溯源理論和方法，本項目對圓柱度量值溯源中的幾個關鍵技術進行了深入研究，並取得了重要進展和突破，包括以下幾個方面： 1.為解決傳統的圓柱輪廓測量模型不完善問題，本項目建立了一種同時包含有感測器測量線偏移和試件偏心兩個偏置誤差參量的雙偏置參數圓柱輪廓測量模型，完整精確地反映各偏置誤差參量對測量的影響機理和作用規律，從原理上進一步完善了傳統的圓和圓柱輪廓測量模型； 2.為解決傳統的參數估計方法存在較大誤差的問題，本項目提出了一種基於非線性最小二乘擬合原理和尋優估計的偏置參量精確求解方法，實現了對感測器測量線偏移參量、試件偏心參量和模型中其它參量的精確估計和直接求解，可精確地將偏置誤差參量從測量數據中分離出去； 3.為解決儀器基準間位置誤差的分離問題，本項目提出了基於圓柱標準器自身特徵參照的基準間位置誤差分離方法。該方法在完全保持儀器原有測量狀態不變的情況下，充分利用標準器自身特徵的不變性，通過對圓柱標準器指定測量截面進行正置和倒置測量，並建立測量截面的幾何特徵與直線運動基準線對應位置的幾何關係，實現對基準間位置誤差的精確分離；該方法同時兼有簡便性、客觀性和高復現性等特性； 4.本項目提出了一種基於圓柱標準器多組互比的基準間位置誤差分離精度校準方法，採用一組具有不同幾何特徵的圓柱標準器對儀器的基準間位置誤差進行分離，實驗結果表明，該組圓柱標準器對同一段基準間位置誤差的分離結果具有很好的一致性;該方法可實現儀器基準間位置誤差的自校準;實驗結果表明，包含溫度漂移和機械漂移等在內的全部測量誤差對基準間位置誤差分離精度的影響小於20nm/100mm;該方法可將儀器基準間位置精度提高一個數量級。上述技術已成功套用於國家圓柱度標準裝置中，中國計量科學研究院採用該圓柱度標準裝置同德國聯邦物理技術研究院(PTB)的圓柱度測量標準裝置進行了比對測量實驗，實驗結果表明雙方測量數據吻合。本項目研究成果可直接套用於先進裝備製造業，在航空、航天、尖端武器研製等領域具有良好的套用前景，特別是在高精度三維迴轉體類測量儀器的研製中可發揮積極作用，對提升我國超精密製造和測試裝備技術水平具

圓柱度量值溯源中的幾個關鍵技術基礎與方法研究

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