（机械工程专业论文）空间极坐标角度测量仪研究.pdf

空间极坐标角度测量仪研究 机械工程领域 研究生李云飞指导教师谢驰袁道成 y6 5 4 3 5 3 本文针对曲面壳体零件上小孔尺寸的测量问题提出了球坐标系的空问角度 的测量方法。该测量方法是：两个相互垂直且间距可调的数控回转轴，一轴与 工件的回转中心重合，另一轴上固定可移动的瞄准显微镜，当显微镜瞄准被测 孔时，两轴的转角由各自的圆光栅测出，两轴之间的角度位置确定曲面壳体零 件上小孔的孔位置，同时采用c c d 摄像头，利用图象处理技术实现d , j f l 的尺寸 测量。论文依据其测量方法研究实现空间角度测量的测量装置( 仪器) ，主要包 括如下内容： 1 依据总体方案设计，确定机械系统的主要组成部分，完成了主要的机械 设计工作，采用长圆光栅进行闭环定位控制( 测量) ，提高系统精度。控制系统 的结构分为两级，底层通过嵌入式计算机系统实现对步进电机和光源等相关内 容的控制；上层完成测量数据的采集、处理与应用等任务，由微机实现。两级 之间的联接采用兼容性好的r s 2 3 2 接口，方便设备的使用和维护。依据目标要 求选择c c d 摄像机，并分析了小孔的光学瞄准方法，使用新型超亮白色发光二 极管光源照明，确定c c d 摄像机光学镜头及主要参数，完成了视频显微镜的设 计。软件设计包含：图象采集卡控制模块完成对c g 2 0 0 图象采集卡的各种设置、 图象采集等功能；图象处理模块完成对w i n d o w s 下b m p 格式文件的一般文件操 作和图象处理功能，以图象边缘识别算法实现孔位测量的自动瞄准；曲面孔位 测量是项目研究的主要目的，它主要设置零件测量参数及其测量结果显示、测 量结果输出等；软件控制接口模块主要解决计算机串口通讯和相关控制字的设 定；这些模块相互配合完成对孔位零件的测量。最后，分析了整个系统的测量 不确定度。 2 依据单项指标测试方法，对仪器分别进行了立柱坐标( z ) 、水平坐标( x ) 等单项测试，并综合测量了水平角、向心角这两个小孔角度位置参数，根据这 些测量值确定测量不确定度，建立溯源“标准件”验证设备的不确定度指标，修正 系统误差。 该仪器装置解决了壳体空间孔位的测量问题，“光、机、电、算一体化”， 实现了空间极坐标测量功能，有较高的精度和效率；对小孔空间位置高精度快 速测量及小尺寸光学测量具有较普遍的意义。 关键词：空间角度r s 2 3 2 c c d 摄像机边缘识别不确定度评定 t h er e s e a r c ho fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s f o ra n g l ei n s p a t i a l p o l a rc o o r d i n a t e s y s t e m m a j o r ：s p e c i a l i t y o f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：l iy u n f e ia d v i s e r ：x i e c h i y u a n d a o c h e n g t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ew a yo fm e a s u r i n gs p a t i a la n g l eo fh o l ei ns p h e r e o b j e c t si np o l a rc o o r d i n a t es y s t e m t h em e t h o di s ：t h e r ea r et w op e r p e n d i c u l a ra x e s w h o s ed i s t a n c ea r ec o n t r o l l e d ，o n ei st h ea x i so fw o r kt a b l e ，t h eo t h e ri sf i x e dw i t ha m i c r o s c o p ef o ra i m i n g t h et u r n i n ga n g l e so f a x e sw h i c ha r er e c o r d e db yt h er a s t e r d e t e r m i n et h es p a t i a la n g l eo ft h eh o l ew h e nt h em i c r o s c o p ef i x e so nt h eh o l e ，a sw e l l a sc c dv i d e oi su s e dt og e tt h ep h o t o so fh o l e s t h ec e n t e ro fh o l ef o ra i m i n gi s g o r e nt h r o u g ht h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t h i sp a p e rd e v e l o p st h ei n s t r u m e n t st o r e a l i z ei t ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，w ed e c i d e dt h em a i np a r t so f t h em e c h a n i c a ls y s t e m ， t h er a s t e r sa r eu s e di nc l o s e dl o o pi no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o n t h ec o n t r o l s y s t e mi sd i v i d e di n t ot w ol e v e l s ，i nl o wl e v e lt h er s 2 3 2c h i pi su s e dt oc o n t r o lt h e d e v i c e ss u c ha se l e c t r o m o t o ra n dl a m p - h o u s ee t c ，o t h e rt a s k ss u c ha sd a t ac o l l e c ta n d p r o c e s sa r er e a l i z e db yc o m p u t e r i nh i g hl e v e l ，t h et w ol e v e l sa r ec o n n e c t e d t h r o u g h r s 2 3 2w h i c hm a k e si te a s i e rf o rm a i n t e n a n c e t h em a i nc o m p o n e n t so f m i c r o s c o p e a r ec c d v i d e o 、l a m p h o u s ea n dc c d c a m e r al e n s w es e l e c t e dt h ec c dv i d e oa n d a n a l y s e di t sw a yo fa i m i n g ，i n t r o d u c e dan e wh i g hp o w e rw h i t el a m p - h o u s ew h i c h u s e df o u rc i r c l e a r r a y s d i o d e sc o n t r o l l e db ys i n g l es w i t c h ，d e t e r m i n e dt h eb a s i c p a r a m e t e r so fc c dc a m e r a1 e n sa n ds e l e c t e dt h el e l l s t h es o f t w a r eo fi n s t r u m e n t s c o n s i s t so ft h e s e p a r t s ：i m a g e c o l l e c tm o d u l ew h i c hs e t s t h e p a r a m e t e r s a n d f u n c t i o n so fc g 2 0 0 c h i p ；d i g i t a li m a g ep r o c e s sm o d u l ew h i c hc a np r o c e s s “b m p f i l e si nw i n d o w sa n dn s ee d g e - f i n da r i t h m e t i ct of i n dt h ec e n t e ro f h o l ef o ra u t o m a t i c a i m i n g ；h o l em e a s u r i n gm o d u l e w h i c hs e t st h ep a r a m e t e r so f m e a s u r i n ga n dt h eo u t p u t o f r e s u l t s ；s o f t w a r ec o n t r o l l i n gm o d u l e w h i c hr e s o l v et h ec o m m u n i c a t i o no f c o m p u t e r a n ds e t st h ec o n t r o l l i n gw o r d a tl a s t ，t h eu n c e r t a i n t yo f i n s t r u m e n t si sa n a l y s e d 2 w i t ht h e p r i n c i p l e o fm o n o m i a l m e a s u r i n g ，w eg e t t h ev a l u e so fk e y p a r a m e t e r s ，w h i c ha r eu s e df o rc a l c u l a t i n gt h eu n c e r t a i n t yo f t h ei n s t r u m e n t s ，w ea l s o p r o d u c e as t a n d a r dw o r k p i e c et ov a l i d a t et h eu n c e r t a i n t ya n d r e c t i f ys y s t e me r r o r , t h ei n s t r u m e n t sc a nm e a s u r et h es p a t i a la n g l eo fh o l ew i t hh j l g he f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o n ，w h i c hr e s o l v et h ep r o b l e mo f p o s i t i o n m e a s u r i n go f h o l ei no u rf a c t o r y i ti s a l s ov a l u a b l ef o ro t h e r s i m i l a rs i t u a t i o n ss u c ha s o p t i c a l m e a s u r e m e n to f m i c r o d i m e n s i o ns t r u c t u r eo rc o m p o n e n t s k e y w o r d ：s p a t i a la n g l e ；r s 2 3 2 ；c c dv i d e o ；e d g ed e t e c t i o n ；e v a l u a t i n go f u n c e r t n n t y 婴业查堂三矍婴主堂堡堡兰一 1 绪论 1 1 课题来源及目的和意义 随着科研事业的发展，很多实验工作正逐步展开，各种实验件的加工检测 要求明显提高。实验用的球面和曲面零件的尺寸和几何形状不尽相同，但其上 都分布有大量需要精确加工和精确测量的小孔，呈不同的规则排列；有通孔也 有盲孔，孔径从大小不等，分度半径在一定范围内变动。这些孔的主要控制参 数可由图1 1 几何模型示意图表示，o 为工件坐标原点，o 为待测孔的坐标( 分 度) 原点( 球面零件。与o 重合) 。x o 和z 0 通常被标注为理论正确尺寸，0 与0 一般通过工件安装找正或仪器定位确定， 角和向心角) 。由于被测零件均为薄壁件， 的孔口位置。 妒和0 是孔的被测位置量( 又称为水平 其孔位测量通常是检测曲面外表面上 一 u， ，峄y 一 o x 图卜1 曲面小孔角度位置几何模型 这些曲面壳体及孔位结构在院里各类制造产品中，占有较高的比例，其上 的孔不仅要求控制较高的加工尺寸精度和位置公差，还要求给出反映工件实际 状态的“实测值”。要给出“实测值”，既要建立一种比较通用的高精度空问孔位检 测方法，又要有足够的效率。由于实验室的实验工作将长期进行，这些检测需 四川太学工程硕士学位论文 求将是长期的。 被测孔的位置量( p 和0 是空间极坐标角度量，属于几何量空间三维位置测量的 一种。坐标测量机是目前国内外功能较强的通用几何量测量设备，按理应是空 间几何量测量的首选设备，理论上可以测量曲面上4 q l 的位置，但由于测尖球 头大小的限制，对于m 1 以下的通孔或很浅的盲孔，要实现测量，目前来看是非 常困难的。通过我们多年来的调研了解，国内外市场上没有可供选择使用的设 备，因此我们决定自行研制满足要求的空间角度极坐标测量仪。 经过立项论证，于1 9 9 9 年6 月正式获得院里项目支持。项目目标：研制曲 面孔角度位置测量装置及应用软件一套。达到测量扩展不确定度( 或精度3 6 ) ： 5 5 角秒；适于分度半径s r l 5 一s r l 6 0 圆弧回转曲面壳体零件表面小孔( 直径 m 0 2 8 m 4 0 ) 的角度位置测量。 研制出的仪器，应该解决所内多年存在的壳体孔位的测量问题，有较高的 精度和效率；对小孔空间位置高精度快速测量及小尺寸光学测量具有较普遍的 意义；该课题的完成也可以为类似问题提供一种有效解决的方案。 1 2 国内外相关技术发展现状和水平分析 本课题主要是研制角度参数测试仪，下面分别对相关的角度测量、非接触 测量及数字图像处理技术发展现状和水平作一些介绍： ( 1 ) 角度测量技术的发展 角度测量是计量科学中发展较为完备的一个分支，各种测量手段的综合运用 使测量准确度达到了很高的水平。据不完全统计，角度测量方法大致可以按测量 原理分为1 6 大类 1 】。在过去的2 0 年中，角度测量的准确度也达：至r j t 这之前的l o 倍以上u 1 。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种，某些静态测量技术 仍然是动态测量的基础，大多数动态测角技术都能实现静态测量。 测角技术中研究最早的是机械式和电磁分度式测角技术，机械式测角技术主 要以多尺分度盘和多齿分度盘为代表；电磁分度测角技术主要有圆磁栅测角和 感应同步器测角；它们的主要缺点是大多为手工测量，不容易实现自动化坝0 量精 度受到限制。 机械式和电磁式测角技术由于研究较早，技术已经非常成熟。而光学测角法 2 凹型奎兰三翌堡主兰些堡苎一 由于具有测量准确度高和非接触测量的特点，在角度测量中得到了越来越广泛的 应用，而且在某些场合下正在逐渐取代机械式和电磁式测量方法。光学测角法中 尤其以激光干涉测角技术为主，该方法的最大优点是测量精度高，j 、角度测量已 经达到了极高的准确度，作适当的改进还可进行整周角度测量，但目前的测量精 度不是很高，而且体积庞大，因此还需要作进一步研究。目前，光学测角方法除众所 周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、自准直法、莫 尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法以及环形激 光法等。这些方法大多都已成功应用于小角度的精密测量中，并达到了很高的测 量精度，用于3 6 0 。整周角度测量还需作适当的改进，有代表性的是圆光栅测角和 环形激光任意角度测量【3 】。 圆光栅是角度测量中最常用的器件之，其测量原理是将圆光栅与转台同轴 安装，二者同时转动，测得光栅转过的栅距数就可测得转角。目前我国的圆光栅国 家线角度基准采用6 4 8 0 0 对线的圆光栅，分辨力为0 0 0 1 ”，总的测量不确定度为 o 0 5 ”1 4 】。该测量方法主要是在静态下的相对角度测量，两个读数头之间的角度是 固定的，而且必须对圆光栅进行相应的标定。圆光栅测角法的优点是静态测量准 确度高、稳定可靠，缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高，高准确度光栅的 制作加工困难，动态测量时分辨力很难保证。 环形激光是目前转速测量准确度最高的方法，转速测量相对准确度可达1 0 4 。 目前还只是少数国家掌握这种技术，研究最多的国家是德国和前苏联，我国目前 正致力于这项技术的研究【5 】。该技术测角的最大优点是容易实现自校，缺点是只 能实现动态测量，加工工艺难以保证，成本高，这是环形激光器没有得到大量应用 的最主要的原因。在整周角度测量中，环形激光器被认为是目前的最佳选择，是动 态整周角度测量的一个非常有前途的发展方向5 1 。 ( 2 ) 非接触高效率是精密测量技术的重要发展方向。 近年来，精密测量技术发展迅速，成果喜人。例如在线测量技术，已可进 行加工状态的实时显示，及时检测是否出现异常状况，从而可大幅度提高生产 效率。对于机床控制装置，则要求高精度化、低成本和小型化。因为诸如汽车 发动机等均要求其组成零部件必须具有非常高的精度，以便减少噪声、防止环 境污染和节省能耗，这些都是时代对制造业提出的紧迫要求。 在高精度加工和质量管理过程中，随着光机电一体化、系统化的发展，光 学测量技术有了迅速的发展，相应的测量机产品大量涌现，测量软件的开发也 日益受到重视。 近年来，利用光学原理开发的非接触测量机及各种装置非常多。如 m a r p o s s 公司的非接触式工具测量系统m i d al a s e r 就是利用激光测头的新型 测量机，该机可在c n c 机床保持运转的情况下，自动对所有工具进行非接触测 量，并可根据测量所得数值，对工具进行自动定位，索尼精密工程公司的非接 触形状测量机y p 2 0 2 1 也是利用半导体激光高速高精密自动聚焦传感器的形状 测量机，所有刻度尺均系标准元件，传感器和载物台均由微型计算机控制，具 有优异的操作性能和数据处理功能。y k t 公司销售的非接触三坐标测量系统 z i p 2 5 0 是一种高刚性、高速、高精密的新型测量机。该机载物台的承载量为2 5 千克，刻度尺的分辨力( x 、y 、z 轴) 均为0 2 5 微米。机上装配了带数码法兰 盘的c c d 摄像机和最新d s p 处理器，因此，可进行高速图像处理测量，同时， 也可与接触式测头并用进行相关测量 6 。 随着非接触、高效率测量机的大量出现，专家们预计，2 1 世纪测量技术的 发展方向大致如下： 1 ) 测量精度由微米级向纳米级发展，进一步提高测量分辨力。仪器精度的 不断提高是仪器科学追求的永恒且标。科学技术发展的不同历史阶段，对精度要 求的水平有所不同。随着近2 0 年科学技术的迅速发展，对仪器精度要求出现了数 量级的变化。从精密测量( 0 5 l x m 0 0 5 r t m ) ，发展到超精密测量( o 0 5 哪0 0 0 5 r t m ) ， 最近又提出纳米精度测量( 5 n m - - 0 0 5 n m ) 的要求。根据专家们的推测，2 0 0 0 年以后， 随着精密工程技术、尖端技术和空间技术的迅速发展，轮廓形状允差为5 0 n m 5 r i m ，尺度允差为1 0 0 n m 1 0 r i m 的超精密零件将被广泛使用，所以超精密测量技 术和仪器工程的研究与应用已成为本领域科学技术发展的关键因素之一f 7 l 。 2 ) 由点测量向面测量过渡，提高整体测量精度( 即由长度的精密测量扩展 至形状的精密测量) 。微小内尺度精度测量是测量界的新问题，主要解决在一定精 度和范围内的可测性问题，关键问题是可测深度问题；三维光滑任意曲面轮廓测 量向超精密发展，解决超精密、分辨力等达5 n m 、非接触式、三维轮廓扫描和三 坐标测量相融合等问题【8 。 3 ) 随着标准化体制的确立和测量不确定度的数值化，将有效提高测量的可 靠性。 4 婴业查兰三堡堡主兰堡丝j l 总之，n n - 技术必须实现高精度化，同时也要求实现高速化和高效率化， 因此，非接触测量和高效率测量也就必然成为新世纪精密测量技术的重要发展 方向。 ( 3 ) 数字图像处理技术在几何量精密测量领域中的应用概况 数字图像处理( d i 百t a li m a g ep r o c e s s i n g ，d i p ) ，就是对图像信息进行加工以 满足人的视觉心理或应用需求的行为。与人类对视觉机理着迷的历史相比，它 是一- f 相对年轻的学科。但在其短短的历史中，它却广泛应用于几乎所有与成 像有关的领域。数字图像处理与识别是一门多学科相交叉的学科，它涉及到光 学、电子学、数学、摄影技术、计算机技术等领域的知识f 9 】。 用图像处理技术进行几何量测量，就是把被测对象的图像当作检测和传递 信息的手段或载体的测量方法，其目的是从图像中提取有用的信号。该测量方 法研究的主要任务是正确地处理和分析携带有被测对象信息的图像。 精度是图像处理和分析过程中所关心的问题。在图像测量领域，对获取的 图像边缘的精确识别是保证测量精度的先决条件，根据国内外相关文献表明， 图像中的噪声因素是影响边缘识别的最大障碍。对于噪声不是很严重的边缘识 别，在国外已经形成了许多非常成熟的算法，如梯度算子和r o b e r t 算子 1 。】【l “、 p r e w i t t 和s o b e l 算子【1 2 、k i r s c h 算子 ”1 、l a p l a c i a n 算子【1 4 】旧等，随着科学技术 的发展，很多优秀的边缘识别算子正在悄然兴起，如模糊算子法i l ”、小波分析 法【1 7 】、神经网络法【l s 】，这些算子能够对背景噪声不是很严重的边缘进行像素级 的识别，甚至可以达到亚像素级的识别精度，但是对于背景噪声很严重的图像， 处理效果却不是很好，这有待于现有算法的进一步改进和新算法的开发与研究。 随着对测量精度要求的提高，基于像素级边缘识别算子已经不能够满足测 量精度的要求，而基于亚像素级边缘识别算子的研究则成为边缘识别的主要发 展方向。目前，国内外最流行的亚像素细分算法有，插值法、离散的c h e b y s h e v 多项式拟合法f 1 9 】、最小二乘估计法i 、灰度矩边缘检测法【2 1 j 、空间灰度矩边缘 检测法口”。从算法的角度来分析，最小二乘法准确度最高，插值法重复性最好， 而c h e b y s h e v 多项式拟合法及空间灰度矩法无论是准确度还是重复性都比较好， 灰度矩法的准确性最差。从计算量来看，插值法的计算量最小，最d , - - 乘法最 大，另外，灰度矩法及空间灰度矩法对输入数据中的加性噪声和乘性噪声不敏 感。实际应用中，我们可以根据计算量及精度要求来选择软件细分算法。 四川大学工程硕士学位论文 目前，国内把数字图像处理技术应用于几何量精密测量的研究尚不成熟， 开展这方面研究的单位很多，但真正形成商品化、实用化的较少。国外此项技 术在一些领域已达到产品化的水平，如在德国马尔公司的非接触三坐标测量机 系统中，通过适宜的光学成像技术结合计算机图像处理技术，在几何量测量中 能达到很高的测量精度。研究分析这些成功应用说明：国内的图像处理往往只 依赖更好的数学理论而很少考虑具体的应用对象，但是图像处理最后总是要运 用到确定的研究对象上，因此通用图像处理算法并不是解决任何对象都具有相 同的效率和精度。要提高图像处理的效率和精度，仅对图像本身的灰度特征进 行处理是不够的，还要结合图像反映的几何特征，将图像处理的对象及其携带 的先验信息考虑进去，从而实现高效、高精度的测量。 1 3 课题的主要工作 课题设计和确定机械系统的主要组成部分，确定c c d 摄像机光学镜头及主 要参数，完成了视频显微镜的设计和软件的编制。装机测试，对仪器的性能与 精度进行测试与评估。本文作者作为主要完成人之一，参加了课题的整个研制 过程，并主要承担了机械系统的设计工作。 四川大学工程硕士学位论文 2 总体系统设计 2 1 项目的研究方案和关键技术 2 1 1 研究方案介绍 锋鲨暴板 荔朔为刃献瓤 图2 1 曲面孔位测量系统示意图 7 确) x ，+ y x + 2 + 丑+ c + z z 。i i 艇a b 和c 指度捌t x 和症位舟度十心 婴业查兰三翌堡主兰竺堡墨一 l 计算机监视器 一鼍拿巍勒 瞄准显微镜 c c d 偏差 f a - 号 雾竺脚。应 量系统| i _ 1 数控系统 转懂+ 转台 l 一 三维找正定位系统 技术要求 控制程序 测量结果 打印输出 图2 2 曲面f l 位测量系统工作流程图 方案论证之初，主要考虑了两条路线。一条是以现有机床附件双向转台( 实 现伞角和o 角回转) 和坐标测量机c m m ( 三维平移定位) 为基础，研制找正、装卡、 对准装置实现测量。第二条路线( 见图2 一1 ) ，测量装置主要由相互垂直间距可 调的两数控回转轴组成，瞄准显微镜可以在两轴交点为球心的球面上受控相对 运动( 亦可保持一定的偏心距离，运动轨迹为圆弧回转曲面) ，当瞄准显微镜瞄准 某被测孔时，两回转轴的角度位置就唯一确定了该孔在曲面上的位置。综合考 虑各自的复杂程度、经费需求、测量精度、测量效率，在专家论证的基础上， 确定实行第二条路线。 根据方案原理设计，要实现曲面小孔的位置快速精密测量，系统需要满足 以下要求： ( 1 ) 通过工件外圆、基面、定位孔等能方便地对工件坐标原点0 定位：能三 维( x ，y ，z ) 调整找正曲面分度中心0 1 ，使与装置的“系统原点”精确重合或与某转 轴相交。 ( 2 ) 摄像瞄准显微镜径向精确可调，以便调焦测量不同半径大小的盐面；对 于同分度中心不等分度半径的曲面、倒角等因素造成的超越景深情况，为保证 效率和精度，瞄准显微镜应有方便的对焦功能，对焦位置及过程不破坏瞄准精 翌纠查兰三矍堡主堂堡笙苎一 度( 比如手柄调整会引入外力影响) 。 ( 3 ) ( p 角转台( c 轴) 和e ( b 轴) 角转臂应有较高精度并具有数控功能，以方便实 现空间角度的定位、测量，提高测量效率。 根据这一方案，按图2 - - 2 所示流程，就可以实现空问角度的精密测量。 2 1 2 关键技术 ( 1 ) 空间角度测量 空间角度的测量是整个系统工作的基础，要求两回转轴分别实现回转角度的 高精度定位和测量，且两回转轴空间垂直，涉及对购置设备的改造、定位装置 的设计制造。按目前技术水平，单回转轴精度可以比较经济地控制在1 5 角秒左 右。 ( 2 ) 曲面上小孔的光学瞄准技术 曲面小孔的瞄准关系到测量的精度和效率。从测量效率来讲，采用c c d 图 象处理有利于劳动强度的降低( 简易、无疲劳) ，也可以向多人同时显示测量过 程，利于规范操作。为保证测量精度，要求c c d 及监视器有足够的测量范围和 分辨率，光学系统的光轴以足够的精度指向分度中心。 2 2 本课题研究的主要内容和技术路线 ( 1 ) 本课题研究的主要内容如下： 机电控制系统设计与实现：曲面上小孔的光学瞄准技术；针对主要材料( 钢、 有机玻璃等) 表面的照明及显微对焦技术；对c c d 的实时数字图像的分析和处 理；回转曲面、半球曲面、过半球曲面、球冠等曲面上的孔位置测量的实现方 法和角度坐标的精密测量技术。 ( 2 ) 技术路线 考虑以上内容的复杂性和相互独立性，拟技术路线如下： 单元设计及试验一总体方案设计一单元制造及改造一软件开发一 联机综合调试和评估。 粤型查兰三堡堡圭兰垡丝塞一 3 单元设计 3 1 机械系统设计 3 1 1 机械系统及主要机械部件设计 c 数控转台一圆光栅3 6 0 。 b 转臂回转轴圆光栅2 1 0 0 z 升降立柱一长光栅1 3 0 m m z 对焦导轨1 4 5 m m x y 。微动工作台1 0 x 1 0 m m x 水平直线导轨一长光栅1 5 0 m m 图3 1 测量原理示意图 图3 1 是空间角度测量仪的测量原理示意图，转臂回转轴b 和数控转台的 轴线c 是相互垂直且间距可调，孔的位置可由它们之间的角度位置唯一确定。 结合图2 1 ，根据测量要求，可以确定机械系统的主要组成部分： 仪器基座 拟用万能工具显微镜除去y 轴，承载4 0 k g ，可进行0 2 0 0 m m 范围、微米 级精度的找正与定位，仍用其x 导轨作为新仪器水平直线导轨。为保证精度， 放置测量范围为1 5 0 m m 、测量显示分辨率为0 1 p m 的长光栅。考虑所用基座的 承载能力与安装尺寸限制，c 数控转台需要改造或专门制做。以测量范围为 3 6 0 。、测量显示分辨率为1 ”、驱动步长为2 9 ”的圆光栅保证精度。 带绝对零位的数控转臂设计。 b 数控回转臂采用密珠轴承，在其后部放置测量范围为3 6 0 。、测量显示 分辨率为1 ”、 驱动步长2 9 ”的圆光栅编码器，通过电机数控驱动，为保证精 1 0 度要求，需安排配重。对焦导轨与转臂一体，行程1 5 0 m m ，驱动步长为1 p m 。 工件的三维找正定位机构 要求的精度都是微米级的，由转臂升降立柱与x l - y 微动平台组成。升降立 柱由t h k 直线导轨及丝杠组成，行程1 5 0 m m ，直线度3 p m 。为提高系统工作的 效率，升降立柱配置1 3 0 m m 、测量显示分辨率为0 1 i t m 、驱动步长为o 5 1 a m 的 零位长光栅。x f y 微动平台目前用的是差动丝杆及弹簧定位的简单方案，工作 范围为1 0 x 1 0 m m ，每次调整为1 p a n ，见图3 2 ，费用很低。 倒3 2x 一y 徽动装卡半台 瞄准显微镜系统 瞄准部分采用j v c5 6 0 线摄象机( 7 5 3 5 8 2 像素l 3 英时c c d ，4 8 3 6 r a m ) ， 基本满足分辨率和速度的要求，适应多种材料表面人工与软件自动判别的需要。 通过“软件+ 硬件”的图象拼接，进一步提高分辨率。专用四组镜头fo 8 ，1 6 ， 3 | 2 ，6 4 ) ，满足光学放大倍率、视场及工作距离要求，像差与畸变小于5 哪。 光亮表面对焦技术及冷光源照明 多数工件表面比较光亮，难以采用自动对焦技术，手动对焦将引入不希望 的外力，电动对焦是有效且可行的；对焦会引入测量基准显微镜光轴 四川大学工程硕士学位论文 圈3 3 升降转臂测量架( z ，z ，b ) 2 四川大学工程硕士学位论文 图3 4 微动调心转台( x - - y ，o ) 四川大学工程硕士学位论文 纠,42 l j j )4 j 棚7 口 图3 5 微动调心转台( x - - y ，c ) 1 4 婴型查堂三壁堡主兰! 至堡苎 的变动，对保证测量精度不利，需要位置精度得以控制的高精度直线对焦导轨。 照明光源必须有足够的亮度，为避免对工件不利的热影响，设计采用冷光源， 光源为发光二极管四象限环形阵列照明，足够的亮度和均匀性t 发热小，有一 定的调整适应能力。 依据总体方案设计和上述组成部分，考虑了制造的可行性，满足要求精度 的能力( 可装配调整测量性) ；立柱导轨满足精度要求和足够的负载能力，以一台 万能工具显微镜底座为基础，利用其水平导轨为x 导轨；选择增加电机( x 4 ) 、丝 杆( 2 ) 、蜗轮蜗杆( x 2 ) 、精密滚动轴承( 4 ) 、精密直线导轨( 4 ) 、长光栅( 2 ) 、圆 光栅( 2 ) 、摄像头( 1 ) 等的基础上，经镜头光源初步实验完成了主要的机械设计 工作，参照图3 3 、图3 4 。 机械结构设计的基本构成参见图3 3 、图3 4 、图3 5 。表3 1 是上述 机构中的关键零部件，各种构件的协调工作由对应的控制系统、配套研制的应 用软件完成。 表3 1 关键零部件清单 序 名称( 型号)主要参数用途数量供应商 号 l 3 ”c c d ( 4 8 x 3 6 ) 像素4 3 0 ，0 0 0 c c d 摄像机 ( 7 5 3 ( h ) x 5 8 2 ( v ) ) 日本 1 分辨力小孔摄像1 件 t k s 3 5 0 5 6 0 t vl i n e s ( h ) j v c 灵敏度0 3 l x ( f 1 4 ) 镜头接口c 型 组合直线导轨 行程1 3 0 日本 2 螺距t = 4立柱导轨 1 件 s k r 3 3 0 4 + 2 5 0 l 直线度2 岬 t h k 导轨长2 5 5 3 直线导轨 调( 对) 焦1 件 日本 滑块数量2 堕纠奎兰三堡堡主兰垡堡苎 一一 有效行程1 5 0 导轨 t | i i ( h s r 8 r 2 + 2 5 5 l p m 直线度3 l j m 丝杆 丝杆外形 i o 日本 4 螺距t = 2调焦丝杆 1 件 t h k m b f l 0 0 2 + 2 7 3 l s 有效行程1 5 0 类型混合式 相数2 相 北京 步进电机 步距角0 9 。 5 相电流1 3 a 调焦电机1 件斯达特 4 2 b y g 0 0 9 驱动电压d c 2 4 v ( 美国) 额定转矩0 2 5 n m 外形4 2 3 x 4 2 3 x 3 3 类型混合式 相数2 相 立柱电机 步进电机 步距角0 9 。 北京 水平转台 6 相电流1 7 a3 件斯达特 4 2 b y g l 0 1 电机 驱动电压d c 2 4 v ( 美国) 额定转矩0 4 4 n m 转臂电机 外形4 z 3 x 4 2 3 3 9 相数二相或四相 4 路步进北京 步进电机驱动器 类别混合式 7 细分数2 ，5 ，1 0 ，2 0 ， 电机4 件斯达特 s h 一2 h 0 5 7 m 4 0 驱动 ( 美国) 最大相电流3 a 直线导轨 导轨长7 0 x 一一y 日本 8 滑块数2 4 件 2 h r 9 1 8 u u + 7 0 l h 微动台t h k 滚动轴承 外形0 + 6 2 x1 2 0 转轴日本精 9 精度等级p 4 a 4 件 7 9 c 0 8 妒转轴上 6 堕型查兰三堡堡主兰垡堡! l 3 1 2 转臂设计与剐性校核 转臂上固定有导轨、调焦电机和c c d 摄像机等器件，测量过程中，c c d 沿导 轨上下移动或转臂旋转，它们的重力就成为转臂的载荷，这些载荷会引起转臂 内应力和变形。作为关键零件，要求刚性大，内应力小，应该进行结构优化和 刚性校核，防止剐性不足而导致变形影响精度。为此，采用u g 软件作为有限元 模型具体实现的软件，对转臂进行有限元分析。 模型建立：有限元模型的建立是以单元为基础的，单元是进行分析计算的 基础，需要使用适应数学模型的合适的单元。针对转臂的特点，在有限元模型 建立中使用三维八节点六面体块体单元。限制单元尺寸最大为1 5 r a m ，自动划分 网格，结果生成的有限元模型的节点数为8 1 5 1 个，单元数为4 7 0 9 个。 材料属性：每一种单元都应包含一个相当于材料特性表的材料特性i d 。 每一个单元必须指定一种材料。一个材料特性表可被很多单元作参考。材料 性质可以是各向同性( i s o t r o p i c ) ，可以是正交各向异性( o r t h o t r o p i c ) 或 各向异性( a n i s o t r o p i c ) 等。般在生成单元之后，建立材料特性。 有限元模型材料属性及参数如下： 1 ) 材料名称： z l 2 0 4 a 2 ) 材料性质：各向同性。 3 ) 弹性模量：e = 6 8 0 0 0n m m 2 。 4 ) 屈服应力：仃0 2 = 3 1 4n m m 2 。 5 ) 泊松比：v = o 3 3 。 6 ) 密度： p = 2 1 8 0k g m 3 。 模拟结果：当转臂设计如图3 - - 6 时，初步分析结果为，在转臂弧形部，有 较大的应力集中，最大变形达到0 o l m m ，不符合要求；后在悬臂与弧形处添加 加强肋，如图3 7 示，并对其作有限元分析，结果图3 8 3 一1 4 。 1 7 巴型查兰三堡堡主兰笪堡苎 p 下盲r 一一 甄 ? l _ j 一塑i， 蠲 j 夕形。| 。爱i，一铷 枣，7l ，、， 。 、 游j 蕊 图3 6 原始转臂结构 8 四川大学工程硕士学位论文 图3 7 修改后的转臂结构 1 ) x 方向位移，最大为7 3 8 4 e 一8 图3 - - 8x 方向位移 1 9 四川大学工程硕士学位论文 2 ) y 方向位移，最大为7 3 5 9 e 一7 图3 9y 方向位移 z 方向位移，最大为1 7 9 6 e 一8 m ，约为0 0 2 微米。 图3 1 0z 方向位移 四川大学工程硕士学位论文 节点旋转，最大幅度为1 0 e2 0 ，基本为0 图3 1 1 节点旋转 节点内应力，最大为i 2 5 5 e o i m p a 。 图3 1 2 节点内应力 2 l 四川大学工程硕士学位论文 图3 1 3 总位移 经过有限元分析知，最大变形总位移约为o 7 微米，内应力分布均匀，经实 验使用，满足项目要求，最终采取图3 - - 7 的转臂结构。 3 1 3 控制精度的主要措施 考虑系统结构相对复杂，研制周期有限，所有零部件均尽量选择市场供应专 业公司成熟产品，见表3 1 ，包括z 升降立柱导轨丝杠，x 导轨，对焦导轨 丝杠，微动载物台导轨等；采用长圆光栅进行闭环测量，提高系统精度。机械 设计同时采取以下措施： 圆光栅的联接：弹簧片联轴节，轴向弹性；径n n n 轴锁死，相当于回 转轴有四个同轴滚动轴承约束，均为进口高精度轴承。以圆光栅信号幅值均匀 作为联接良好判据。 高精度轴承的安装与调整：过渡配合，轴向环形铜皮修垫压紧，( 空载) 调整测量直至跳动小于要求值，确认满足要求后以胶封牢。 转臂刚性校核：转臂作为关键零件进行结构优化，刚性校核；设计过程 中对悬臂机构进行有限元分析，并有针对性改进了设计，确保机构的机械精度。 微动台工作面垂直于回转轴：设计加工保证3 公差。通过配做的安装支架 璺型查兰三堡堡主兰堡堡苎一 完成工件装卡，能适应不同结构的工件安装，保证安装精度。 图3 - 1 4 控制系统框图 3 2 控制系统设计 依照系统设计对测量精度和效率的要求，手动控制不可能满足相应的测量 速度指标，且手动产生的外力会对测量精度有不利影响。通过对定位精度、测 量速度、承载能力分析，采用步进电机及细分驱动、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、滚 动轴承、滚动直线导轨以满足运动控制的要求。对涉及五轴长圆光栅测量、五 轴运动、定位、照明、图像采集处理、人机接口等相关内容的控制设计框图如 图3 1 4 ，有关模块的内容或要求说明如下。 四型查堂三翌堡主兰垡丝墨一 3 2 1 步进电机驱动模块 采用带细分的步进电机驱动，通过调试、试机，选择合适的时间一频率曲线， 控制步进电机的升速、降速过程，实现精确、快速定位。以z 向驱动为例：负 载重约4 0 k g ，最大行进速度为4 0 m m s ，步进电机启动是关键，利用单片机软件 设计一条高效可靠的非线性加速曲线，启动频率为2 5 0 h z ，最大频率为4 k h z 。 以上设计通过联机运行测试考核验证，具有软件升级的便利。 3 2 2 位置测量、显示模块 步进电机驱动可以实现开环测量，其精度受运动机构特别是丝杠和蜗轮蜗 杆的限制，以及步进电机可能丢步的影响；通过安装测量光栅实现闭环高精度 的测量与定位，以及通过软件对测量光栅的精度补偿，进一步提高测量与定位 的精度。为系统达到理想精度提供充分的保证。立柱、转臂、调焦运动设置正 反限位开关，提供设备的自我保护能力。对于不需要安装光栅的对焦导轨驱动， 通过软件与限位开关控制，实现了滚珠丝杠的绝对零位，为对焦操作提供了参 考坐标，有利于提高工作效率。 3 2 3 微机控制接口 实现微机对设备的控制以及完成测量数据的采集必须通过适当的接口来实 现。通过对控制任务的分析，兼顾可行性、便利性，控制系统的结构分为两级， 底层控制任务实时性要求较高，由专用的嵌入式控制系统完成；数据处理及与 应用( 工件测量技术要求) 直接相关的任务由微机实现，并且全部由软件处理。两 级之间的联接相对简单，采用兼容性好的r s 2 3 2 接口，对设备的使用和维护提 供了很大方便。 由于以上方式对上位机( 微机) 的资源占用很少，因此有利于其采集、处 理大量的视频图像数据，整个系统可以达到好的综合性能。通过软件的持续开 发升级，整套系统可以保持最大的灵活性，更好的适应科研生产的需要。 3 2 4 视频图像采集子系统 照明光源、镜头、摄像头、视频采集卡、微机及相应驱动程序共同构成视频 婴型盔堂三望堡主兰焦兰苎一 图像采集子系统。 摄像头选择综合考虑测量速度、测量分辨率、镜头匹配、经济能力等多种因 素，选择为j v c 摄像头，可达5 6 0 x 4 8 0 电视线( 对) 的分辨率，配合相应倍率 的光学镜头，可以满