触针扫描式螺纹测量仪中的关键技术研究

发布时间：2018-11-14 16:50

【摘要】：高精度测量是精密、超精密加工制造的基础,而螺纹参数的高精度测量是计量领域的一项基本内容,有着相当广泛的市场需求。传统的螺纹参数测量方法,如通/止规校验,测长机、千分尺等,或精度有限,或测量参数单一,亦或是成本高昂,不能有效满足计量市场的需要。基于轮廓信息的螺纹参数综合测量成为螺纹检测的一项重要手段。相比于视觉影像,激光三角测量和坐标测量机而言,触针式螺纹轮廓扫描测量方法以其测量精度高、可测螺纹范围广和优异的性价比得到了众多计量单位的应用认可。然而,目前这方面的测量方法和手段还没有形成统一的标准,很多方法和理论还十分欠缺,需要进一步研究和讨论。为此,本文以自主研制的触针扫描式螺纹测量仪为平台,从误差分析的角度,对螺纹参数的计算、误差校准和补偿、运动控制等影响螺纹检测精度的若干关键技术展开了深入的研究。主要研究内容如下:(1)采用多项式样条插值均匀密化轮廓数据点,利用稳健高斯回归方法对螺纹轮廓进行低通滤波,得到去除干扰噪声的轮廓数据。提出了一种以相邻段牙侧线距离方差最小的螺纹中径线计算方法,消除了中径线定义和实际计算结果之间的不一致性。基于该中径线,分别设计了中径和螺距的计算方法。(2)运用了6自由度齐次坐标变换的误差分析法,研究工件定位误差对螺纹中径的影响,利用Sobol全局灵敏度分析方法,得到各定位误差对中径结果误差影响程度的量化数值,剔除影响较小的因素,有效简化函数模型。基于简化的误差模型,提出了一种两规校准补偿方法,并对该方法的不确定度进行了深入的讨论。仿真和试验结果表明:该方法只需要两个校准规,就能确保在夹具支撑的测量范围内,螺纹定位误差对中径结果的影响小于1μm。相比于单规校准方式,两规校准在定位误差较大时,对整个可测范围内的螺纹规依然有着良好的测量精度。(3)提出了基于图像视觉的触针检测方法,解决了误差模型中要求触针绕X轴旋转偏差小于1o的限制问题。综合角点检测,轮廓识别,感兴趣区域的运动预测和距离校准等手段,在有运动背景变化的情况下,实时准确地检测出了触针尖点的位置,并据此计算出触针绕X轴旋转偏差。结果显示角度测量精度可达0.0654°,重复精度可达±0.16%,能够有效检测和控制触针绕X轴旋转偏差角度。(4)为减小Z轴直线电机的运动负载,采用平衡气缸对探针所在Z轴运动平台进行配重设计。为了满足高精度轮廓跟随控制的需要,建立了单作用气缸对运动阻尼力的动态方程,结合直线电机的数学模型,构建了系统的动力学方程,实现了气缸配平Z轴运动平台负载条件下的运动控制。充分考虑摩擦力、气缸阻尼力的综合作用,对该非线性系统构建了基于非线性力观测器的三层复合控制结构,实现了对非线性部分的补偿。仿真和试验的结果表明,本文提出的改进控制模型能够有效提高位置跟踪的精度。(5)研究了触针杆在Z轴速度和加速度不断变化下,与工件接触力的变化规律,结合振动力学中悬臂梁横向振动的分析,得出了动态扫描过程中,触针杆弹性变形的变化,以及由此带来的测量点位置误差。结合电感位移传感器的迟滞现象,建立了轮廓点数据动态误差的整体模型,利用遗传算法对模型参数进行了识别。通过对光滑针规和螺纹环规的测量数据进行补偿,轮廓数据点的动态误差减小了40%以上。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG85

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