虛擬數(shù)字分度頭及其相關(guān)技術(shù)的研究.pdf

1、分度頭是機(jī)械加工中一種常見的測量設(shè)備，主要用于提供高精度的角度基準(zhǔn)。傳統(tǒng)的數(shù)字分度頭通過分立的數(shù)顯箱實現(xiàn)結(jié)果顯示，其系統(tǒng)柔性差，操作人員勞動強(qiáng)度大，不便與其他設(shè)備接口，難以實現(xiàn)自動化測量。隨著技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，對機(jī)械設(shè)備的自動化程度和系統(tǒng)柔性要求越來越高。特別是各種高效、快速、準(zhǔn)確和易于接口的加工設(shè)備不斷涌現(xiàn)，對于測量設(shè)備和方法提出更高的要求。將測量設(shè)備與計算機(jī)接口、利用虛擬儀器技術(shù)改造測量設(shè)備，以及開發(fā)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和誤差分

2、析軟件，能夠方便地將測量過程與加工過程相結(jié)合，實現(xiàn)在位測量、提高加工精度和降低生產(chǎn)成本，是測量設(shè)備發(fā)展的方向。因此，設(shè)計一種使用靈活、易于與計算機(jī)接口的虛擬數(shù)字分度頭系統(tǒng)具有重要的使用價值和意義。 此外，通過在分度頭上加裝傳感器和測量附件，構(gòu)成的測量系統(tǒng)可以用于各種形狀誤差的測量與評定。形狀誤差的測量與評定對于工業(yè)生產(chǎn)和制造的意義十分重要，是檢測產(chǎn)品質(zhì)量、保證加工精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大多數(shù)零件的幾何形狀都包含有圓形或圓柱形的部分，因

3、此圓度和圓柱度是形狀誤差領(lǐng)域里兩種應(yīng)用最廣泛的公差。然而，到目前為止圓度和圓柱度的評定仍然沒有既符合標(biāo)準(zhǔn)定義又具有快速簡潔特性的計算方法。 本文著眼于數(shù)字分度頭的虛擬儀器化設(shè)計，以及軸類零件的形狀誤差測量，結(jié)合對傳統(tǒng)數(shù)字分度頭的改造項目，提出了一種虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)的原理。該系統(tǒng)基于可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device, CPLD）和通用串行總線（Universal Serial Bu

4、s, USB）接口技術(shù)，通過USB接口實現(xiàn)硬件電路模塊與計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及通訊，使用虛擬光柵數(shù)顯軟件系統(tǒng)在計算機(jī)的顯示器上虛擬傳統(tǒng)的光柵數(shù)顯系統(tǒng)的功能，包括顯示、置數(shù)、清零、格式轉(zhuǎn)換和存儲。分析測試表明，當(dāng)光柵尺運(yùn)動的速度不超過0.3m/s時，虛擬光柵數(shù)顯的示值誤差小于 0.432um，能夠用于光柵位移傳感器數(shù)據(jù)的實時采集和顯示。 在虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文還提出了一種虛擬數(shù)字分度頭系統(tǒng)的原理。虛擬數(shù)字分度頭由床身上安裝了

5、兩路光柵位移傳感器的數(shù)字分度頭、虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)和虛擬數(shù)字分度頭軟件組成。工件安裝在分度頭頭座和尾座的頂針之間，通過安裝在數(shù)字分度頭上的圓零位光柵位移傳感器獲得被測工件的回轉(zhuǎn)角度，通過兩路零位長光柵位移傳感器獲得被測工件上被測點的升程變化量，使用虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)實現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)字顯示、處理和記錄，并結(jié)合虛擬數(shù)字分度頭軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和分析。 虛擬數(shù)字分度頭系統(tǒng)可以用于圓度和圓柱度誤差的測量。針對圓度、圓柱度誤差的評定，本

6、文分析了四種圓度誤差的求解方法，包括最小二乘圓（Least Square Circle, LSC）法、最小外接圓（Minimum Circumscribed Circle, MCC）法，最大內(nèi)接圓（Maximum Inscribed Circle, MIC）法和最小區(qū)域圓（Minimum Zone Circle, MZC或Minimum Radius Separation, MRS）法，以及四種圓柱度誤差的求解方法，包括最小二乘圓柱（L

7、east Square Cylinder, LSCY）法、最小外接圓柱（Minimum Circumscribed Cylinder, MCCY）法，最大內(nèi)接圓柱（Maximum Inscribed Cylinder, MICY）法和最小區(qū)域圓柱（Minimum Zone Cylinder, MZCY）法。利用Voronoi圖的性質(zhì)，通過證明推導(dǎo)得出了關(guān)于MCC圓心，MIC圓心和MZC圓心的判據(jù)，該判據(jù)嚴(yán)格符合圓度誤差的定義，同時具有明

8、確的幾何意義。根據(jù)該判據(jù)，對于平面上測量點集 ，其最小外接圓心位于 的最遠(yuǎn)Voronoi圖上，可以通過保證外接圓半徑不斷減小的幾何搜尋方法得到；其最大內(nèi)接圓心位于 的最近Voronoi圖上，通過保證內(nèi)接圓半徑不斷增大的分區(qū)域幾何搜尋方法得到；其最小區(qū)域圓心可以通過在 的最遠(yuǎn)、最近Voronoi圖的K型交點上，可以通過沿最遠(yuǎn)Voronoi圖所構(gòu)成的樹狀結(jié)構(gòu)的逐層搜尋得到。圓柱度誤差評定的研究基于雙曲柱面對圓柱面的近似。由于雙曲柱面方程是關(guān)