觸針掃描式螺紋測(cè)量?jī)x中的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高精度測(cè)量是精密、超精密加工制造的基礎(chǔ)，而螺紋參數(shù)的高精度測(cè)量是計(jì)量領(lǐng)域的一項(xiàng)基本內(nèi)容，有著相當(dāng)廣泛的市場(chǎng)需求。傳統(tǒng)的螺紋參數(shù)測(cè)量方法，如通/止規(guī)校驗(yàn)，測(cè)長(zhǎng)機(jī)、千分尺等，或精度有限，或測(cè)量參數(shù)單一，亦或是成本高昂，不能有效滿足計(jì)量市場(chǎng)的需要?；谳喞畔⒌穆菁y參數(shù)綜合測(cè)量成為螺紋檢測(cè)的一項(xiàng)重要手段。相比于視覺(jué)影像，激光三角測(cè)量和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)而言，觸針式螺紋輪廓掃描測(cè)量方法以其測(cè)量精度高、可測(cè)螺紋范圍廣和優(yōu)異的性價(jià)比得到了眾多計(jì)量單位的應(yīng)用

2、認(rèn)可。然而，目前這方面的測(cè)量方法和手段還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，很多方法和理論還十分欠缺，需要進(jìn)一步研究和討論。為此，本文以自主研制的觸針掃描式螺紋測(cè)量?jī)x為平臺(tái)，從誤差分析的角度，對(duì)螺紋參數(shù)的計(jì)算、誤差校準(zhǔn)和補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)控制等影響螺紋檢測(cè)精度的若干關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）采用多項(xiàng)式樣條插值均勻密化輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用穩(wěn)健高斯回歸方法對(duì)螺紋輪廓進(jìn)行低通濾波，得到去除干擾噪聲的輪廓數(shù)據(jù)。提出了一種以相鄰段牙側(cè)線距

3、離方差最小的螺紋中徑線計(jì)算方法，消除了中徑線定義和實(shí)際計(jì)算結(jié)果之間的不一致性?；谠撝袕骄€，分別設(shè)計(jì)了中徑和螺距的計(jì)算方法。
　?。?）運(yùn)用了6自由度齊次坐標(biāo)變換的誤差分析法，研究工件定位誤差對(duì)螺紋中徑的影響，利用Sobol全局靈敏度分析方法，得到各定位誤差對(duì)中徑結(jié)果誤差影響程度的量化數(shù)值，剔除影響較小的因素，有效簡(jiǎn)化函數(shù)模型?；诤?jiǎn)化的誤差模型，提出了一種兩規(guī)校準(zhǔn)補(bǔ)償方法，并對(duì)該方法的不確定度進(jìn)行了深入的討論。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明

4、：該方法只需要兩個(gè)校準(zhǔn)規(guī)，就能確保在夾具支撐的測(cè)量范圍內(nèi)，螺紋定位誤差對(duì)中徑結(jié)果的影響小于1μm。相比于單規(guī)校準(zhǔn)方式，兩規(guī)校準(zhǔn)在定位誤差較大時(shí)，對(duì)整個(gè)可測(cè)范圍內(nèi)的螺紋規(guī)依然有著良好的測(cè)量精度。
　?。?）提出了基于圖像視覺(jué)的觸針檢測(cè)方法，解決了誤差模型中要求觸針繞X軸旋轉(zhuǎn)偏差小于1°的限制問(wèn)題。綜合角點(diǎn)檢測(cè)，輪廓識(shí)別，感興趣區(qū)域的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和距離校準(zhǔn)等手段，在有運(yùn)動(dòng)背景變化的情況下，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出了觸針尖點(diǎn)的位置，并據(jù)此計(jì)算出觸針

5、繞X軸旋轉(zhuǎn)偏差。結(jié)果顯示角度測(cè)量精度可達(dá)0.0654°，重復(fù)精度可達(dá)±0.16％，能夠有效檢測(cè)和控制觸針繞X軸旋轉(zhuǎn)偏差角度。
　?。?）為減小Z軸直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)負(fù)載，采用平衡氣缸對(duì)探針?biāo)赯軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行配重設(shè)計(jì)。為了滿足高精度輪廓跟隨控制的需要，建立了單作用氣缸對(duì)運(yùn)動(dòng)阻尼力的動(dòng)態(tài)方程，結(jié)合直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，實(shí)現(xiàn)了氣缸配平Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)負(fù)載條件下的運(yùn)動(dòng)控制。充分考慮摩擦力、氣缸阻尼力的綜合作用，對(duì)該非線性系

6、統(tǒng)構(gòu)建了基于非線性力觀測(cè)器的三層復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線性部分的補(bǔ)償。仿真和試驗(yàn)的結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)控制模型能夠有效提高位置跟蹤的精度。
　?。?）研究了觸針桿在Z軸速度和加速度不斷變化下，與工件接觸力的變化規(guī)律，結(jié)合振動(dòng)力學(xué)中懸臂梁橫向振動(dòng)的分析，得出了動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程中，觸針桿彈性變形的變化，以及由此帶來(lái)的測(cè)量點(diǎn)位置誤差。結(jié)合電感位移傳感器的遲滯現(xiàn)象，建立了輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)誤差的整體模型，利用遺傳算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別。通