用于球棒球心距测量的长度标定仪器设计与实验分析

发布时间：2020-05-25 20:42

【摘要】：球棒是由两个直径完全相同的超精密球体和连接两球体的一段低热膨胀系数刚性杆组成。其标定值为两端部球体之间的球心距,是校准三坐标测量机等各类测量仪器长度测量示值误差的最佳一维标准器,也是激光跟踪仪、激光扫描器、多相机内外标定等大尺寸计量仪器的空间示值误差标定常用的标准器。标准球棒已经成为各类测量系统中不可或缺的校准工具之一,但是国内目前还没有专门用于球棒标定的测量仪器。因此研制用于球棒球心距测量的长度标定仪器已成为一个急待解决的问题。本文基于激光干涉测量原理,采用一种球棒球心距的三角间接测量方法,研制新型球棒长度标定仪器。设计能实现激光轴线、测量轴线及运动轴线完全重合的总体结构方案,消除阿贝误差影响。运用机械设计软件Solidworks完成整机的三维机械结构设计,其中包括测量器件选型及固定机构设计、气浮导轨设计、微调平台结构设计、三点运动座设计及减振调平底座设计五个部分。对影响球棒长度标定仪器测量结果的几个主要误差源进行分析,并采取有效的误差消除和误差补偿手段减少主要误差源的影响。评定长度标定仪器的测量不确定度,对影响测量结果的所有因素进行不确定性分析,计算每个因素的测量不确定度,得到该长度标定仪器的扩展不确定度约为1.724μm。参考“磁力表座工作原理”研制新型球棒。设计新型杆头结构,使其能保证每次吸附标准球时拥有同样的精度,选用复合碳纤维作为杆身,降低杆身受热膨胀,完成新型球棒设计。采用材料力学的相关知识对新型球棒在固定后受到重力产生长度变形的模型进行分析,得到其在使用过程的受力变形量数量级在10 m之间,满足球棒的使用要求。完成长度标定仪器装校。为了方便测量数据计算,设计一个基于windows系统的计算球棒标定值的计算程序。对滑架移动过程的水平方向和竖直方向直线度误差进行测量实验,通过均值最小二乘法去线性化拟合得到水平和竖直方向的最大直线偏差分别为3.27μm和3.16μm,平均偏差分别为2.724μm和2.571μm,可以得到长度标定仪器设计的运动系统满足测量运行要求。对五组待标定球棒的球心距进行测量,分别得到650mm、700mm、750mm、800mm、850mm五组球棒的标定值,并通过与德国DAkks校准证书作对比,两标定值相差0.2μm,对比系数值小于1,表明该长度标定仪器标定球棒的测量不确定度在所评定的测量不确定度范围内。两个实验结果说明长度标定仪器达到设计预期要求。
【图文】：

广东工业大学硕士学位论文用[6]。而在我国，三坐标测量机的标定还使用着传统的量块、步进行长度示值误差校准[7]。球棒或球板对 CMM 的校准未被列入，其中一个原因就是还不能完全实现球棒的高精度量值溯源[8-9]。由两个直径完全相同的超精密球体和连接两球体的一段低热膨。其标定值为两球体之间的球心距，是校准三坐标测量机等各类示值误差的最佳一维标准器，球棒实物如图 1-1 所示[6,10]。球棒的体的圆度和其通用尺寸的限制。它的两个球体的球心距离是绝对个球的中心距的线的长度是由空间中两个无限小的中心点之间的与量块最大的不同是，球棒标准器完全没有余弦或对齐误差，这三坐标测量机、激光跟踪仪、激光扫描器、多相机内外标定等方

棒的测量仪器研究现状美国人 J.B.Bryan 于 1982 年发明之后就主要用于坐标测量机的们对球棒使用已经相当成熟，但是在标定球棒的测量仪器开阶段。这是因为，在亚微米级的测量精度要求下，环境变化、会带来很大的误差，这就需要非常严格的测量环境；其次，，球是困扰其发展的一个难点，需要寻找一种测量方法实现仪器本对测量，这样才能更好、更迅速完成对球棒的标定。球棒标定是通过大型的高精密三坐标测量机配合一定的测量方国 国 家 标 准 与 技 术 研 究 院 （ National institute of Stand,NIST）设计并制作的 M48 坐标测量机如图 1-2 所示，采用二距，标定范围可以包括所有的球棒尺寸，测量不确定度为U(.2 (L 单位为：m)[14]。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH711

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本文编号：2680718