（物理电子学专业论文）基于虚拟仪器的飞轮齿圈形位误差非接触检测仪的研究.pdf

摘要 本文对飞轮齿圈形位误差光电检验机的精度进行了理论分析，依据分析的 结果分配了零件的各种形位公差，并对测量结果的数据处理方法进行了研究， 找到了一种在大样本空间的条件下依概率排除系统误差的数据处理方法，同时 为了验证其可靠度对其进行了计算机仿真实验。本文采用虚拟仪器建立该机构 的检测和控制系统，利用数据采集板l a b j a c k 、和开发平台l a b v i b w 等工具进 行信号检测，通过采集数据、合理分析来选择有效的控制算法，达到对机构准 确快速控制的目的。在计算机的软控制之下，机构在工作时具有良好的动态性 能。 蒸检测赚非接龇龇光电检澌，形位矗，警，精度赢i 噬 仿真 辩 、 2 a b s t r a c t t h e p r e c i s i o no ft h en o n c o n t a c tt e s t i n go ff l y w h e e lg e a r s c o n t o u ra n dl o r a t i o n e r r o ro fl i g h te l e c t r i c i t yi n s p e c t i o nm a c h i n eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e n c a r r i e do nt h e o r ya n a l y s i si nt h i sp a p e v a r i o u sc o n t o u ra n dl o c a f i o nt o l e r a n c e so f t h ep a r th a v eb e e nd i s t r i b u t e dd e p e n d i n go nt h er e s u l to ft h ea n a l y s i s ，a n dt h ed a t a h a n d l i n gm e 睡o d o f m e a s u r e m e n th a sb e e ns t u d i e dt of i n dad a t ah a n d l i n gm e t h o do f g e e i n gr i do f t h es y s t e me r r o ru n d e ro n ek i n do fc o n d i t i o no ft h eb i gs a m p l es p a c e a tt h es a i n et i m e ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do nt ov e r i f y t sr e l i a b i l i t y 1 1 ：1t h i s p a p e rt h ev i r t u a li n s t r u m e n t i s a d o p t e dt ob u i l tt h ec h e c k o u ta n dc o n t r o l s y s t e mo f t h i so r g a n i z a t i o n ，a n ds i g n a l sa r et e s t e db yu s eo ft h et o o l ss u c ha sd a t a a c q u i s i t i o nb o a r d l a b j a c k a n dt h e d e v e l o p i n g f l a t l a b v i e ww ec a n a c h i e v et h ep u r p o s eo f c o n t r o l l i n g t h eo r g a n i z a t i o na c c u r a t e l ya n dq u i c k l yb ym e a n s o fg a t h e r i n gt h ed a t aa n dr e a s o n a b l e a n a l y s e s t os e l e c t 幽ee r i e c t i v ec o n t r o j a l g o r i t h m t h eo r g a n i z a t i o np o s s e s s e st h eg o o dd y n a m i cc a p a b i l i t yw h e nw o r k i n g u n d e rt h es o f tc o n t r o lo f c o m p u t e r k e y w o r d s t e s tt e c h n o l o g y ，n o n c o n t a c tt e s t ，l i g h ta n de l e c t r i ct e s t ，c o n t o u r a n dl o c a t i o ne r r o l s a m p l e ，p r e c i s i o na n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l 戳i o n 3 1 。1 谦蠢鬻秉 第一章瘩富 本炙瑟矛发鼹基予虚拟仪器馥飞轮轰整形位误差l # 接触检测援是囊信号跫 理技术、计算机技术、电子测蛰技术高速发展的背景下，利用獒国n i 公司的虚 拟仪器开发平台l a b v i e w 自行设计开发的。它可用于信号的采集、分析， 存褚扣读取。利用其信号处理动能可将之应餍于飞轮齿圈形位误差 接触检测。 本丈的课题背荣知识包括：数字信号处理技术、光电检测技术、虚拟仪器技术、 l a b v i w 较俘开发乎台等。 1 1 1 研究意义 每种新设备、新工艺过程的研究和分析都与测量许多物理蚤有紧密的联系， 为了捡釜、监傺和控制生产过程或运动，使它处于制造工况的最佳状态，就必 须掌摄描逮它们特征的各释参数，这就要豢测量出这蛰参数的天小、方向、变 化速度等等。通常把这种工艺流程中的检查、测试、监督等比较广义的测量称 沟捡测。 现代加工拽术的发展非常迅速，日新月异，各种先进的加工方法的出现对 魏氏硷溺蔽拳起载了强烈翡李；馋用，砖裣潮拔求翡要豢也越拳越高，越皋越 严，从某种意义上而言，检测技术的发展必须超前于加t - 技术的发展才能满足 人们对精密加工的要求。高速度、高精密度、j # 接触式检测技术已发展成为捡 测技术审最重要、最尖端的组成部分，鑫鼠激光溺世以来，汉红蜂激竞、c c d 、 p s d 等为传感嚣的光电检测技术就已缎成为非接触式检测技术的代表。 在工业发遮地区，各有关方面对北十分重视，每年都投入走量的人力、物 力、财力来进行研究，现在已经开发出了大批的实用产品，创造了大慧的社会 赌富。 我国光电检测技术的应用越步较晚，相对于工业发达地区庶用水平也相对 较低，绝大多数的工厂还处于游标卡尺、手分尺、予分表翡跨代，检测技术严 重的落后于加工技术。我国的机电产品在国际市场的竞争能力弱，有很大一部 分原因就是我们的检测手段太落后了，使我们的产品在性能上和质量上不能和 诸如蔚本、美圆等发这国家的产品相比。 现今的时代是一个信息时代，不论是计算机技术避是空间技术，都离不开 半导体芯片。但是，没有相应的检测手段，高质量的半导体芯片是生产不出来 的，微米级、纳米级的芯片的质量要靠高水平的检测手段来保证。 因此，从大国形象、国家安全及国民的一般生活而言，我们对光电检测技 术的研究是非常有意义的。 1 1 2 课题来源及研究内容 本文所要研究的是光电检验机中传动机构的精度，并对研究结果进行计算 机仿真。 机械制造过程中不仅包含物质流与能量流，而且包括信息流，这一切的关 键就是在于信息的获取、传输、储存、显示、处理和控制。从信息源即机件部 位的三个形位误差到接收点整个过程的传输要不失真，也不受干扰，严格的讲 就是在严重干扰下能准确的提取并辨认出信号中的有用信息。 z - 件的精度是机械加工过程中主要关心的问题之一。由于在加z - 过程中各 种因素的影响，误差的产生是必然的，因此就要有相应的检测手段来检测和控 制工件的误差，由此产生了各种检测手段。检测系统本身的精度直接影响测量 精度。 提高测量系统精度的办法有下述两种： a ) 提高测量系统中机械零部件的制造精度 b ) 对现有误差源进行分析，对部分大误差源进行修正补偿 毫无疑问，方法a 增加了制造成本，对设备、环境都有了更高的要求，在 经济上和技术上都非常不合算，方法b 可以最大限度利用现有的条件，利用计 算机的各种软、硬件对误差进行实时补偿，从而化腐朽为神奇，使系统达到j p - 高的精度。 本题目来自生产实际，是第一汽车集团的一个重点科研项目，汽车工业是 我国国民经济的支柱产业，是我国优先发展的产业部门之一，目前我国汽车行 业的生产水平和装备与世界先进国家相比仍有很大的差距，要在短时间内赶上 发达国家的汽车生产水平，就必须在设备上下功夫，而机械产品质量能否提高， 关键是对产品质量能有一个客观的评价，而这个客观的评价就来自在生产过程 中的自动检测。检测技术的提高，推动机械制造技术向前发展，促使生产力水 平提高。 1 1 3 虚拟仪器及l a b v i e w 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电 子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以 及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破的传统仪器的概念，电子测量 仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国率先 研制成功虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器就是利用现有的计算机， 加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一 般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器的出现是仪器发 展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和 工业生产的进步将产生不可估量的影响。 虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器 面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的 使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根 据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程、 物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。国 际上从l9 8 8 年陆续有虚拟仪器产品面市，当时有五家制造商推出3 0 种产品。 此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到19 9 4 年底，虚拟仪器制造厂已达95 家 共生产10 0 0 多种虚拟仪器产品，销售额迭2 9 3 亿美元，占整个仪器销售额7 3 亿的4 。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，生产虚 拟仪器的主要厂家有h p 公司目前生产i0 0 多种型号的虚拟仪器，t e k t r o n ix 公 司目前生产约8 0 多种型号的虚拟仪器，此外还有n i 公司、k e i t h e l y 公司、 i o t e c h 公司等。 虚拟仪器的软件开发环境目前大致有两类：一类是文本式的编程语言，如 b or l a n dc ，v is u a i c + + ，l a b w i n d o w s c v i 等；另一类是图形化编程语言，具 代表性的有l a b v i e w ，h p v e e 等。 l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv ir t u a l i n s tr u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的 缩写。它是一个工程软件包。19 8 6 年，美国国家仪器公司( n a t i o n a l i o s t r u m e n ts ) 开发研制出它基于苹果公司的m a c i n t o s h 微机的最早版本。在此 之后，该公司不断推出基于各种操作系统的l a b v i e w 版本。正是由于l a b v i e w 的出现开创了上文提到的虚拟仪器的仪器研究新方法。l ab y l e w 采用图形化语 言编程，以方框图的形式编制程序，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯 的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。l a b v i e w 提供 了大量的函数和子程序支持用户的任务，也提供了一些专用程序如g p i b 设备控 7 制、v x i 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储。l a b v i e w 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序 来观察数据的传输过程，以便进行方便的调试。同时，l a b v i e w 可调用w i n d o w s 动态连接库和用户自定义的动态连接库中的函数，以解决l a b v i e w 对某些非n l 公司支持的硬件在使用过程中的驱动问题。l a b v i b w 的c i n 节点使用户可以使 用由其它语言，如a n s ic ，编译的程序模块，使l a b v i e w 成为一个完全开放式 的开发平台。此外，l a b v i e w 还直接支持动态数据交换( d d e ) 、结构化查询语 言( s q l ) 、t c p 和u d p 网络协议等。 1 2 研究意义 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且 要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些 要求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下优点： 1 、仪器功能可由用户自己定义 2 、数据可以进行编辑、存储和打印 3 、价格低廉，是传统仪器的五至十分之一 4 、基于软件的结构体系可大大节省开发费用 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加 强劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚 拟仪器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。 到本世纪初我国有5 0 的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步 较旱，但差距并不是很大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习国外先进 经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。 8 2 1 数字信号处理 第= 章基本理论 本文所要研究的飞轮齿圈形位误差非接触检测仪主要用于对信号进行采集 和分析。信号与系统、信号处理、信号数字化等课题都是本文研究的基础。因 此有必要对本文所涉及到的数字信号处理方面有关知识做简要的介绍。 2 1 1 信号的分类 信号根据其自身的表现特征可分为动态信号和静态信号，在此我们只讨论 动态信号。动态信号可按图2 1 方式进行 图2 1 动态信号分类 2 1 2 确定性信号 可以用数学解析式描述的信号称为确定性信号，它包括周期信号和非周期 信号。 ( 1 ) 周期信号 z 0 ) 。x 0 + 月乃( n ：1 ，2 ，) 式中t 为周期，f = 1 t 为频率( h z ) 。 用正弦函数描述的信号是最基本的周期信号，即 r ( f ) = as i n ( 2 矽+ ) 式中a 为幅值；( p 为相角。 ( 2 ) 非周期信号凡能用数学解析式描述而又不属于周期信号的均称为非周期 信号。它包括准周期信号和瞬态非周期信号。其中准周期信号是由彼此频率比 不全为有理数的两个以上正弦信号叠加而成，例如 x o ) = a s i n ( 2 彤+ ) + a ：s i n ( 3 矽+ 妒：) + a ，s i n ( 、；矿蠢， + p ，) 瞬 态非周期信号如：单一三角波信号，半正弦信号和指数衰减信号等等。 2 1 3 随机信号 如果描述系统状态的变量不能用确切的时间函数来描述，则称这种过程为 随机过程，描述它们的测量数据即为随机信号。尽管随机信号具有不确定性， 但却有一定的统计规律性，可借助概率论和随机过程理论来描述和分析。 对于随机信号一般需要进行大量的重复实验，根据实验数据进行统计分析 来研究其规律。通常随机信号所反映的物理现象是随时间而变化的随机过程， 记为 x ( t ) ) 。 随机信号的数字特征主要如下 1 数学期望 凶( 。耳。卜”z “出 2 均方值： 、二( ，) = e l ：( ，) 】= 卜二p x ， 3 方差： c ( ) 。d x o ) 2 四( 【x o ) 一日x 】1 ) 2f z o ) 一岔t ( z ) 2 p l ( t t ) d x 4 相关函数： 尺聃o l ， ) 一e i x ( z 1 ) ，。o j ) 】t ft 。l 。2 p 。( 。l ，。2 ，l # 2 ) d 1 d 码 式中。0 1 ) ，x 0 2 ) 为随机信号任意两个时刻的样本，p l ( z ，f ) ，p 2 ( z 1 ，z 2 ，l ，f j ) 为随机信号的一阶概率密度和二阶概率密度。 2 2 飞轮齿一形位误差光电检验机的知识结构 检测过程中需要利用被测对象所表现出来的各种有用信息，经过适当的处 理和分析从而获得最能识别设备状态的特征参数，以便得出正确的结论。因此， 必须具备下列几方面知识： 2 2 1 数据( 信息) 采集 合理选择数据( 信息) 采集方式、手段，合理选择数据( 信息) 的来源、 测量部位等，包括将最原始的数据转换成适合于计算机或分析仪进行处理的形 式。其中最关键的问题是正确的选用传感器。 2 2 2 数据( 信息) 处理、分析 这是一个信息加工的过程，其目的是要把原始的数据( 信息) 经过一定的 处理和分析，从中提取出最敏感、最直观和最具代表性的特征参数，因此这一 过程也称为特征提取。特征提取通常都是通过专门的分析仪或计算机完成的。 2 2 3 状态识别、判断和预报 根据得到的特征参数，利用有关的知识和经验对设备所处的状态进行识别、 判断，并进一步对其发展趋势做出预测和预报，最终还要给出诊断结论或解释。 2 2 4 检验机机理知识 这是指关于检测设备的各种专业知识。其中包括设备本身的结构原理，运 动学和动力学，设计、制造、安装、运转以及维修等方面的知识。总而言之， 是要对被测对象有一个全面的了解，否则将无法做出正确的结论。 第三章飞轮齿圈形位误差非接触检测仪总体设计 3 1 系统总体构成 根据零件的检测要求和形状特点，本仪器采用的具有非接触检测特点的光 电检测技术是以半导体激光光三角测量术为基本原理的。即根据被测件三个部 位的不同要求，研制两种具有不同精度，不同测量范围和不同工作距离的半导 体激光测头。 同时根据圆跳动的定义，被测件必须作绕基准轴线的匀速回转，以获取被 测数据，则需研制可实现被测件精确定位和夹紧的精密回转轴系以及相应的传 动系统和可实现快速装卸工件的执行机构，使被测件按每分钟大于1 转的速度 作精密匀速回转。由半导体激光测头对被测部位采集数据，再通过以单片机为 核心的数据处理与控制系统，把处理结果显示出来。其总体结构图如图3 - 1 所 j 示。 f i g3 - 1 1 3 3 2 精密机械系统 3 2 1 半导体激光测头 1 ) 概述 测头的性能直接影响测量性能。激光测头是将被测几何元素( 点、线、面) 的空间位置信息转换为光学信息的装置，光学信息可以是光强、相位差、像点 位置等，这些光学信息一般再通过光电转换变为电信号进行处理。激光测头 能够较好的适应多样化产品的测量。接触式测量都有一定的测量力，使工件表 面产生接触变形，并容易划伤工件表面：光学测头为非接触式测量，无测量力， 屯服了接触式测头的上述缺点。接触式测头多为单点式测量，对复杂面型的测 量，精度和效率都较低；光学测头可以较方便的实现扫描式测量，因而其测量 效率可大大提高。现在，以激光测头为核心的扫描式测量曲面数字化仪已成为 设计和制造复杂面型的不可缺少的设备。光是电磁渡，传输速度为光速，因 此由空间位置信息转换为光学信息是相当快的。另外，光电器件发展日新月异， 激光测头捕获信息的速度要远较接触式测头为快。激光测头无测量力，没有 因接触变形而引起的测量误差。光电转换器件的分辨率日益提高，也是激光测 头具有高精度的先决条件。 2 ) 分类 主动式激光测头从实现原理来分大致可分为以下三类： 微分干涉式 利用迈克尔逊干涉测长原理，通过测量参考光与测量光的相位差来实现位 移测量。这种方法测量精度很高，但要求相干光源( 一般为激光器) 的频率稳 定较高，对环境的要求较为严格，系统也较为复杂。 焦点探测式 通过探测测量光的离焦量来实现位移测量，具体方法较多，如刀口法、象 散法、临界角法等。开发出的测头也较多。这种测头一般测量范围较小，精度 很高，多用于光盘读写头及表面粗糙度测量。 光学三角测量式 根据光学三角测量原理设计的，测量范围与精度都适宜于机加产品的尺寸 及形位公差的检测。由于高性能的半导体激光器和新型光电位置检测元件( c c i ) ， p s d ) 的出现，使测量系统在小型化、测量精度与测量速度等方面得到了长足的 发展。如今，光学三角测头已经应用于多种场合下的高精度位移测量中，尤其 在三坐标测量机上代替传统的接触式测头以及动态位移的非接触测量的应用方 面具有广阔的前景。 其光学系统示意图如图3 - 2 所示，由半导体激光器l d 发射出的激光束，经 4 光学系统l 变换，在被测表面a 汇聚成一点光，光学系统l z 将光点a 成像在光 电传感器p s d 上，而成为像点a 。设o a 为被测量h ，0a 为测出量h ，一旦测 出h 则通过三角关系，被测量h 即被测出。图中，0 0 为光学系统光轴，被测量 h 所在的物平面与光轴不垂直，而成某一。【角，要在测出量0a 的像平面上，获 得物平面上各点的完善的像，必须使像平面与光轴倾斜某一特定的p 角，才能 满足几何光学的成像关系式。这就是所谓沙伊姆普夫芦格条件( s c h e i m p f lu g c o n d i ti o n ) 。设被测量h 与测出量h 分别看作是光学系统的输入量和输出量， 则光学系统的成像关系由下式给出： h a 0 i db b ， f i g3 - 2 h = f ( s ，s ，f ，c c ，0 ，h ) h s s 式中：s ，s 分别为物距、像距，f 为焦距，o t ，p 分别为物平面、像平面和 光轴的夹角，而f ( s ，s ，f ，o c ，d ，h ) 则是上述的光学机械参数与被测量h 做为自 变量的，根据沙伊姆普夫芦格条件构成的一个复杂的函数。对于一般的光学系 统成像，则应为h = m h ，这里的m 是垂轴放大率，是一常数。而式( 3 - 1 ) 中的函 数f ( s ，s ，f ，o 【，d ，h ) 实际是这种光学系统的垂轴放大率，但这个放大率不是常 数，而是与光机主参数有关的并以h 做自变量的非线形函数。这样一种复杂特 性，为光学系统设计提出了较高的要求。 一 o a t - h 3 2 2 定位与夹紧系统 本系统是要完成三个部位跳动量的测量，是一种相对于测量基准的、测量 范围小的几何量测量。因此，系统的定位方式非常主要。根据产品图纸，工件 上是一个圆环状的平面和一短圆柱面做轴向、径向定位基准，为保证端面跳动 和径向跳动测量精度，采用轴向定位元件与径向定位元件分离式定位机构。 失紧机构，采用手动螺旋式夹紧机构，上下被测件操作方便。 3 2 3 精密回转轴机构轴系 对于端跳动和径向跳动来说，是一种动态测量，回转轴线的定中心精度与 方向精度直接影响测量精度。因此，对轴系要求较严。为保证系统测量精度， 我们采用了一种平面轴系，即用一圈经过筛选的0 级钢球，与高精度的上下两 个平面构成的密珠平面定位支撑，限制了三个自由度，径向支承用三个均布的 微型轴承经偏心轴调节，可以确定轴结的定心精度，限制两个自由度。这种轴 系具有很高的轴线定心精度和方向精度，可以保证测量精度。 根据被测参数即三个部位跳动的定义，被测工件必须在获得精确定位的情 况下，做围绕基准轴线的精密回转运动。为此，我们采用了非标准平面密珠滚 动轴承轴系，来限制三个自由度，所用钢珠需进行严格挑选，使其直径差和形 状差均小于0 5 m 。上、下平面滚道，经研磨后达到平面度 2 啪，由于密珠轴 承的误差均化作用，使其轴向回转精度优于2 胁。 同时还采用3 个均布的高精度标准微型滚动轴承利用偏心轴调节，使其与 经精密磨削的空心轴套外圆柱面相接触，来限制2 个自由度，使精密回转轴系 的径向晃动误差优于3 p m 。 3 ，2 4 无级变速传动系统 由于径向跳动测量是在回转过程中的动态测量，轴系回转必需平衡。为了 不使电机的扰动传递到轴系上来，采用具有吸收振动效果的皮带传动。 一般的皮带传动，会产生径向力作用在轴上形成倾复力矩。这样对轴线定 中心精度和方向精度非常不利。为此，采用双向和对称皮带轮传动。一边为被 动回转，通过调整皮带轴与主轴之间的间距，使两边的径向力互相平衡，从而 可以保证轴系维持较高的运动精度。 根据检测节拍的要求，精密回转轴系带动工件以大于l 转分的速度匀速回 转，为此我们采用可实现无级调速的力矩电机和具有吸振效果的皮带传动来实 现轴系的匀速回转。 同时考虑到为消除由于皮带张力所造成的倾复力矩，特采用了双向平衡式 皮带传动系统，收到了良好的效果。 3 2 5 激光光电检测单元定位调节系统 为了保证三个激光光电检测单元能准确的对准被测件部位，并满足其最佳 工作距离要求，以达到预期的测量精度，必须对三个检测单元的配置实现准确 定位，并能进行微调，所以必须具有相应的定位和锁紧系统。而且为了保证回 转系统以及各测量系统之间互不干扰，在结构上全部设计成各自分离的系统。 3 2 6 支撑保护系统 在测量工作的实际操作中，为减轻工人的劳动强度，和装卸工件方便，特 设计两个独立的工件装卸支撑系统，一个位于轴系外面，另一个位于轴系中间。 它们都设有工件滑道，这即可以减少工件磨损，又便于工件装卸。同时有轴系 中间的支撑还具有保护中心激光光电检测单元的作用。在另两个光电检测单元 的中间位置，设计有同一底座的保护罩，便于工人操作。 3 2 7 光电信息处理系统 由半导体、激光测头的原理可知，散射光斑经成像系统在p s d 光敏面上形 成一个相应的共轭光斑( 象点) 。且由其中心位置来决定象点的确切位置，从 p s d 两端产生与中心位置有关的光电流i ，和i ，其大小与位置参数的关系式为： ( i ，一i ：) ( i + i ：) = s l 式中：i 。、i ：一- - p s d 两端输出的光电流( m a ) s 一一象点距光敏面中心的距离( m m ) l - - 一光敏面全长的1 2 ( m m ) 系统原理图如图3 - 3 所示由p s d 产生的两路光电信号在传感器中，经过电 流一电压变换，变为电压信号v ，和v 。，为提高信噪比采用7 k h ：以外的干扰光及 其他噪声信号去除，经适当增益后进入12 位a d 转换器，再进入单片机，按上 式进行运算处理，然后依据实验标定值，进行系统误差修正。 同时，为使信号对不同的被测物面都能稳定，即消除反射面色差的影响， 我们对该仪器通过两路信号之和与预先设置的电平进行比较，对l d 的驱动电流 值给予反馈，控制其光强只能在一个很小的范围的变化。 1 7 i v_ _j 1 1 i 2 ： y ij f i g3 - 3 s q u a r e g e l l a r a t o r i 0 i c p u d 1s p l a y1 3 2 8 电子学控制系统 由于本仪器采用三种不同的光电位置传感器，其工作频率高，响应速度快， 测量速度高，信息量大，数据处理任务重，而且要求控制适时性强，为此采用 单片机作为控制c p u ，并根据有关的功能要求进行控制软、硬件设计，其硬件 总体框图如图3 - 4 所示： 裂 一 裟 b v v e 。m ，卜 。 f i g3 - 4 硬件总体框图 9 f i g3 - 5 整个系统构成一个二级控制网络，示意图如图3 5 。 相应的我们对此进行了软件模块设计，主要有： 系统控制软件 数值计算与数据处理软件 系统误差修正软件 超差声、光报警软件 打印输出软件 3 3 激光光电检测系统 根据测量部位不同和技术指标的不同，采用三个不同工作距离的激光形位 尺寸检测系统作为光电检测单元。 3 3 1 工作原理 尽管激光位置尺寸检测系统工作的原理，本质上可以说是基于摄像法。但 与一般摄像不同，一般摄像记录的信息是光强的幅值，本系统记录的是空间信 息。二者的物理原理和作用机制是根本不同的。现将本系统的基本工作原理简 述如下： 激光器发射出的激光光束是高斯光束，这种光束不能直接用来作为测量介 质，需经过光学系统变换以获得需要的光学特性，然后以一定角度投射到被测 工件的表面上，而成像光学系统以一定角度接受工件表面反射的辐射能，并成 像在光电位置传感器固体成像器件上。而将携带腔问特性的几何关系的光信息， 转换成电数据处理，就可以给出测量结果。系统理论位置分辨率为0 2 0ui l l 。 3 3 2 特殊光学系统研究与设计 光学变换系统，为了获得高的分辨率，投影在被测点上的光斑越小越好， 高斯光束成象公式和物象( 光斑半径) 比例公式分别由下式给出： s ，= ( fs 。( s 。一f ) + f ( w 0 2 ) 2 ) ( ( s 。一f ) 。+ ( w 。入) 2 ) ( 3 2 ) w ，= w 。f ( so - f ) 2 + ( 丌w 。2 入) 2 ”2 ( 3 - 3 ) 式中，s 。，s 。分别为物距、像距，w 。为物方束腰半径，w 。为像方s 。处的光斑 半径，f 为透镜焦距， 为激光波长。 根据( 3 2 ) 和( 3 3 ) 式分析，若光斑小，s 。需远远大于f ，并且，焦距 越大，光斑越小。但s 。大，仪器尺寸增大，另一方面，当s 。= 0 时，聚焦后光斑 有极小值，但这时像方束腰总在后焦点以内，工作距离太小，无法工作。还有 一种方法，就是选用短焦距透镜。当f 远远小于n w 。2 入时，可得小的光斑( w 。产 f 丁r w 。) ，这时像方柬腰就在后焦点处，这也存在2 r - 作距离太小问题。还必须 指出，根据高斯光束的物理特性，当束腰处光斑非常小时，由z o = 7 t w 。2 x 可知 端利区域也特别小，即相当于景深也特别小，使测量防卫小，所以发射器的光 学系统变换设计即使要考虑上述各种因素及各部分不同形位要求，最佳的光学 变换系统方案并进行设计。 3 3 3 成像系统 成像系统的任务是，将在工件上的经聚焦了的激光束成像在光电位置传感 器上，就可测出该点位置，所以成像光学系统设计和一般摄影物镜设计是有许 多不同点的。首先，成像公差不是我们都熟悉的那种公式，而是由式( 3 - 2 ) 给 出的比较复杂的计算，其中一个关键问题，就是一般摄影时，总是通过相机的 调整机构，使物体平面和像平面是共轭的，而本仪器在工作时测量点是变化的 ( 要测量的正是这种变化) ，而光电位置传感器的接收面，相对于光学系统是不 变的。这就是说，在测量过程中，物距是变化的，物面和像面的共轭关系已不 存在了。 另一方面考虑的问题是投影在被测表面的光斑，不管怎么小，由于入射光 很多是采用斜入射的，如图3 - 6 所示。 o 强，。- ，7 1 z f ￥1 f i g3 - 6 设通过光学系统聚焦后的束腰位于高斯光束坐标等于0 - x y z 的原点处，高 2 跫心 斯光束沿z 向传播，根据本仪器对测量的合用特点，基准面调整标定时，一般 使束腰正好处于基准面上，现测量表面与基准面相差h 时，在被测表面形成的 光斑，不仅面积变大，形状也变化了。现以理论分析其影响。 取在工作表面上07 点为新坐标原点， 光斑开关可由下式表示： ( z - a ，a 。) 2 ( a 12 - a ，a ，。) + y ，2 ( ( w 。2 a 。i 式中：a l l = s i n2 ( 0 【w 0 2 ) 一c o s 2 c 【zo a = h c o s 。【z0 2 s i nc 【 a = 一h 2o 【z 0 2 s i n0 【一1 则新坐标系为o - x7 y z ，这时表面上 a a ) a 。，) = 1( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 由( 3 - 4 ) ( 3 - 7 ) 可知，_ 1 - - 件表面光斑为一椭圆，椭圆中心的坐标为 ( 0 ，0 ，a ，a 。，) ，由此可知椭圆几何中心不为0 ，而为z = a 。a ，即在x ，y ，z 坐标原点0 上，而入射分布的能量中心却在0 上。因此，光斑几何中心与能量 分布中心不重合，而光学系统成像总是以几何中心为像点中心，因此将对测量 结果产生影响。我们对这种特殊的光学系统在进行大量分析、研究的基础上， 选择了最佳方案，设计了满足要求的光学系统。 第四章数学模型的t 立及精度分析 4 1 数学模型 光电检验机的机械系统结构简图如图4 - 1 所示 讳格t 譬2 澎垃辩慵l 口糟4 壤昧 藩瘫蕞妨采r 重带齄lj 博 f i g4 - l 从上图可以看出，不管有多少误差源，最后工作上的反映必定是工件的实 际回转轴线和理论回转轴线不重合，造成工件的径向晃动和轴向窜动，如图4 2 所示7 f i g4 - 3 a c = 0 p 0 p2 = x 2 + y 2 2 a o p 0 p = 2 x a x + 2 y y a o p = a x x 0 p + a y - y 0 p a o p = a x c o s 0 + s i n 0 ( 4 - 1 ) 其中： a x = e - c o s a a y = e - s i n o t 所以( 4 - 1 。) 可改写为： a o p = e c o s a - c o s 0 + s 1 n e ts i n o a o p = e c o s ( o - c t ) a c = e - c o s ( ( o - a ) 显然，对于一次确定的测量而言 响a c 的相位，我们可以认为： a c = e c o s o 为一定值，并不影响c 的性质，只影 ( 4 2 ) 现在我们考虑_ t - 件回转轴线与理论转轴线不重合且有一夹角的情况，如图 4 - 4 所示： t 。9 y a v * f i g4 - 4 o b 3 = x 3 + r c o s 。m 2 0 b a o b = 2 x a x + 2 y a y - ( 1 一s i n2 m ) a o b = e c o s ( o - a ) 一e s i n d s i n e s i n2 m a c = e c o s ( 0 - a ) 一e s i n a s i n o s i n2 m 因为s i n o 为一微量，故s i n2 m 为高阶小量，可略去不计，即 a c = e c o s ( 0 一) a c = e - c o s o 在这种情况下的轴向窜动s 为 a s = r s i n o t a n m a s = r s i n e m 从上面的分析可知，在轴系加工、装配过程中存在很多误差，如偏心、不 平行、不垂直等都会给轴系带入误差，其最终的综合作用效果就是使工件实际 轴线相对理论轴线发生偏移以及实际轴线相对理论轴线发生倾斜，我们对仪器 2 4 各零部件进行精度控制的最终目的还是控制这两个基本量。换句话就是，得出 这两个量的范围以后，我们可以再将其分配到仪器的各部件上去。 精度的数学模型为： c = e c o s 0 s = r - s i n e o 式中：a c 为径跳值 a s 为端跳值 e 为偏心量 r 为回转半径 0 为回转角度 o 为回转轴线倾斜角度 4 。2 误差、校正 ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 4 2 1 光电检测单元和机械传动单元的接口误差 1 ) 测量线在o x y 平面内平移 在这种情况下，径跳测量结果将会被带入系统误差，如图4 - 5 所示 ? j ? 气二?j? ! ! 莩二+ 曩df i 一” 七：。：， 、。 f i g4 - 5 径跳的变化值为：d ( a c ) = a c 卜( a p r ) 2 2 _ 1 ) ( 4 - 5 ) 式中：d ( a c ) 为径跳变化值 a c 为理论径跳值 a p 为测量线偏移值 r 为工件直径 2 ) 测量线在o x y 平面内倾斜 在这种情况下，径跳测量结果将会被带入系统误差，如图4 - 6 所示 ，t 7 ， 手；i # 焉 、x 、。f x f i g4 - 6 径置j b 的变化值为：d ( a c ) = c ( 1 c o s o 1 ) 式中：d ( c ) 为径跳变化值 a c 为理论径跳值 m 为测量线倾斜角度 3 ) 测量线在0 x y 平面内倾斜 在这种情况下，径跳测量结果将会被带入系统误差，如图4 7 所示 ? 拳 ，- h 一一，ki ? 、：小 f i g4 - 7 径跳的变化值为：d ( a c ) = a c ( 1 c o s 0 ，一1 ) 式中：d ( a c ) 为径跳变化值 c 为理论径跳值 0 。为测量线倾斜角度 f 4 7 ) 4 ) 测量线不垂直端平面 在这种情况下，端跳测量结果将会被带八系统误差，如图4 - 8 所示 薯一| i ：s f i g4 - 8 其端跳的变化值为：d ( a s ) = a s ( 1 c o s o ：一1 ) 式中：d ( a s ) 为径跳变化值 a s 为理论径跳值 m ：为测量线倾斜角度 ( 4 8 ) 4 2 2 影响精度的其它因素 5 ) 温度对光电检测仪精度的影响 考虑到工作环境不是在恒温室，东北的冬夏两季温差很大，由于温度的变 化会使光电检测仪的各部分零件发生尺寸上的变化，这必然会改变各部件之间 的间隙，产生一定的测量误差，当温度由t ，变化到t ：时，尺寸改变量为： a l = l 。 1 + c 【。( t2 一t ) 】 ( 4 - 9 ) 式中：a l 为几何尺寸变化量 l 。为实际几何尺寸 伐。为线膨胀系数 t ，为起始温度 t ：为终止温度 6 ) 润滑油膜对测量精度的影响 在轴系中，分布在零件摩擦表面上的润滑油是由很多分子层构成的，一般 的润滑油可以很薄，接近于0 1 “，而当固体表面分布规则时，在两固体接触处 可以将油层分裂。 润滑油与轴系配合间隙的分布是不均匀的。h 兀- 彼得罗夫指出：润滑油在 轴系中的分布呈图4 - 9 所示形式： f i g 4 - 9 设a 为与滑动面接触的一个油层上的一点，而b 则为与定面接触的另一油 层上的一点；在滑动面连同a 点移动了距离a a 。的同时，润滑油中部( 间隙内) 的一点o 则移动至o 。我们认为： o o l = a a l 2 也就是说，润滑油层中部的移动速度比滑动面慢一倍，对于轴和轴套而言， 由于润滑油聚集成某种形状，油团的旋转比轴套转速小一倍，由于油团压力， 轴套回转轴线倾斜，这种现象是以7 2 0 度为周期的，这就是轴系的双周晃动现 象。 42 3 有关精度分析的基本理论 4 2 3 1 误差和概率分布 1 ) 误差的随机性 叭、 。f ? ， l门o， 对于随机误差而言，可视为一个随机变量是明显的，在测量误差和加工误 差中，决大多数随机误差是属于离散型随机变量，这是因为测量仪器有一定分 辨率，因此测得值( 或误差) 不可能在数轴的巢一区间内连续取值，而只能取 一系列离散值。 系统误差也具有随机，这是因为测量条件不可能绝对恒定，而是在一定范 围内随机变动的，因此系统误差也是一个具有与测量条件密切相关的概率分布。 2 ) 误差和概率分布 如图4 - 1o 主谶i 耗幸旁带盘卜一一弋： t k o 七a翼雌 x o u 4 2 3 2 正态母体的参数估计 假定测量值具有正态分布的随机变量n ( “，o ) 今已得到n 个测量子样 若测试设备的最小测量单位为a x ，则x 的值为x 。，这表示x 落在中心为x 。， 幅度为x 的区间中，其概率为： 由于误差的存在，测得值与真值不能重合，可见用随机变量来描述误差的 特性，并借助概率论和数理统计学的方法来估定误差是非常有效的。 x 服从正态分布，它的分布密度函数为 m ，= ( 击 e 冲 呜 由( 4 - 1 0 ) 和( 4 - 1 1 ) 可推知： ( 4 1 1 ) 吵川= ( 去) “ 砖唧( 粤y ( 4 - 1 2 ) ( 志卜p j 一r ， 2 口：刍v“ l ( 2 , o - 2 ) = ( - 击卜p 杀毒g ；堑匹鱼! ! ：西： 2 2 ：1 i 芝( ，一) 口2 鲁。 ”7 等仁一2 ) z 嘉弘叫卜山 2 2 当! 塑坠垒! ! ：卫：o 时，l n l ( ，0 2 ) 】达到极大 2 2 所以d = 贾 同理，当! 塑匹垒! ! ：园：o 时 2 口 疗：上芝g ，一f ) 2 月一- i 因为62 不是0 2 的无偏估计量，故我们用 s 2 = n ( n 一1 ) 0 2 作为a 2 的无偏估计量。 o = b n s = b n 6 式中：b n = h i 、丁。 一1 2 5 b n 为与子样容量n 有关的系数。 计算算术均值的方法 2 9 f4 13 ) ( 4 - 1 4 ) ( 4 15 ) ( 4 - 1 6 ) 盯 吖一， 仃。= 网= 著习善( 卜i、而缶，一 国际标准化组织( i s o ) 建议，量仪的测量误差定为2 0 - i 。 4 2 3 3 、t