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国防工业和航空航天技术的发展,对球形惯性器件的形位精度要求越来越高。面对迫切的高精度球度测量需求,本文针对球度误差测量中的球面轮廓形状特征提取与球度误差评定方法展开研究。对于基于两旋转自由度对心式测量系统的球面轮廓精确重构问题,以及最小区域球(MZS)、最大内切球(MIS)和最小外接球(MCS)准则下球度误差的快速精确评定问题,进行了理论分析、建模仿真和实验研究,主要完成的工作如下:为实现球面轮廓形状特征的精确提取,建立了球面轮廓对心式测量系统和采样策略模型;设计了适用于不等间隔采样数据的高斯型零相移数字滤波方法,基于拟合角度完成对高斯滤波器权函数的修正;对在采样过程中由传感器初值差异、测件放置偏心、转角读数误差等因素产生的测量误差进行校正,提出了基于三维正交基准的球面轮廓匹配与数据融合方法:在球面轮廓匹配条件下,完成被测轮廓与主基准轮廓的中心对准;根据被测轮廓与主基准轮廓、副基准轮廓A、副基准轮廓B的交点测量差值构造目标函数,通过优化获取目标函数最小值对应角度实现转角校正;在此基础上,基于均值原则实现被测轮廓的尺寸匹配。仿真及实验结果表明,所提出的轮廓匹配与数据融合方法能够有效还原被测轮廓的真实特征。为实现球度误差的精确和快速评定,设计了基于启发式搜索与特征点模型复合的球度误差评定方法。根据球度分布的宏观收敛性、对称性及多特征点特性,研究了球心搜索粗定位、搜索路径优化和评定结果校正的球度误差评定算法的改进策略。数据集测试结果表明:所提出的球心搜索粗定位方法最高可实现1/512的球心搜索范围的压缩比率;多向自适应对称搜索算法能够有效兼顾收敛速度和全局寻优性能,经过50~75次迭代可得到纳米精度的球度解,且求解时间小于0.025 s,耗时仅为传统算法的1/10;对评定结果的特征点模型校正法能够在迭代进行到指定尺度时,根据当前最佳解位置建立基于MIS、MCS和MZS准则的特征点模型并求解出理想球心,与启发式搜索方法相结合,可将求解效率提高26~61%。在上述工作的基础上,完成了对心式球面轮廓测量实验系统的搭建。进行了转位装置中心对准实验、升降装置稳定性实验等精度测试工作,并通过相关实验,验证了提出的球面轮廓表面特征提取方法和球度误差评定算法的有效性。