觸針掃描式螺紋測量儀中的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

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

2、認(rèn)可。然而，目前這方面的測量方法和手段還沒有形成統(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量儀為平臺，從誤差分析的角度，對螺紋參數(shù)的計算、誤差校準(zhǔn)和補償、運動控制等影響螺紋檢測精度的若干關(guān)鍵技術(shù)展開了深入的研究。主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）采用多項式樣條插值均勻密化輪廓數(shù)據(jù)點，利用穩(wěn)健高斯回歸方法對螺紋輪廓進(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算方法，消除了中徑線定義和實際計算結(jié)果之間的不一致性?；谠撝袕骄€，分別設(shè)計了中徑和螺距的計算方法。
　?。?）運用了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，有效簡化函數(shù)模型?；诤喕恼`差模型，提出了一種兩規(guī)校準(zhǔn)補償方法，并對該方法的不確定度進(jìn)行了深入的討論。仿真和試驗結(jié)果表明

4、：該方法只需要兩個校準(zhǔn)規(guī)，就能確保在夾具支撐的測量范圍內(nèi)，螺紋定位誤差對中徑結(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，對整個可測范圍內(nèi)的螺紋規(guī)依然有著良好的測量精度。
　?。?）提出了基于圖像視覺的觸針檢測方法，解決了誤差模型中要求觸針繞X軸旋轉(zhuǎn)偏差小于1°的限制問題。綜合角點檢測，輪廓識別，感興趣區(qū)域的運動預(yù)測和距離校準(zhǔn)等手段，在有運動背景變化的情況下，實時準(zhǔn)確地檢測出了觸針尖點的位置，并據(jù)此計算出觸針

5、繞X軸旋轉(zhuǎn)偏差。結(jié)果顯示角度測量精度可達(dá)0.0654°，重復(fù)精度可達(dá)±0.16％，能夠有效檢測和控制觸針繞X軸旋轉(zhuǎn)偏差角度。
　?。?）為減小Z軸直線電機的運動負(fù)載，采用平衡氣缸對探針?biāo)赯軸運動平臺進(jìn)行配重設(shè)計。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運動阻尼力的動態(tài)方程，結(jié)合直線電機的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了系統(tǒng)的動力學(xué)方程，實現(xiàn)了氣缸配平Z軸運動平臺負(fù)載條件下的運動控制。充分考慮摩擦力、氣缸阻尼力的綜合作用，對該非線性系

6、統(tǒng)構(gòu)建了基于非線性力觀測器的三層復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對非線性部分的補償。仿真和試驗的結(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)合振動力學(xué)中懸臂梁橫向振動的分析，得出了動態(tài)掃描過程中，觸針桿彈性變形的變化，以及由此帶來的測量點位置誤差。結(jié)合電感位移傳感器的遲滯現(xiàn)象，建立了輪廓點數(shù)據(jù)動態(tài)誤差的整體模型，利用遺傳算法對模型參數(shù)進(jìn)行了識別。通