（机械制造及其自动化专业论文）复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 复合材料零件在工业领域应用日益广泛，特别是在航空航天，汽车工业等制造领域。 针对飞行器头锥这类大型复合材料薄壁回转体零件，研制并开发了复合材料薄壁回转体 在机测量系统。解决了这类零件必须依赖专用测量设备测量其锥度的难题。 系统地阐述了测量系统原理，总体方案的设计及回转体零件锥度在机测量系统的重 要组件。 设计构建了以工业计算机( 球c ) 和通用工业接口卡为核心的硬件平台。根据系统 的主要功能和辅助功能要求，规划设计软件总体布局和功能模块的组织层次。 以v c + + 6 0 为编程语言，开发了软件系统。软件系统功能包括点动测量、自动数 据采集存储功能、数据的自动处理功能、误差补偿及可视化输出功能等。系统运行稳定， 人机界面友好，智能化程度高，满足复合材料薄壁回转体在机测量的要求，在很大程度 上提高了系统的柔性与自动化程度。 详细地阐述了该系统的测量方法与数据处理方案，以系统的要求与机床本身的工作 特点为依据，选择有效的解决方案，提出了保持工件静止状态，分别测量多条母线，以 最小二乘法评定拟合母线平面方程，多条母线锥度求均值得到工件锥度的测量方案。 深入分析探讨了测量中可能产生的误差，包括导轨直线度误差、导轨扭曲误差、光 栅尺误差等等。并利用软件补偿、人为控制、以及激光干涉仪法补偿了系统的测量误差。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统已成功应用于实践，并在实际测量中取得了 令人满意的效果。 关键词；锥度；复合材料；在机测量 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 r e s e a r c ho no n - m a c h i n em e a s u r i n gs y s t e mf o rt h et a p e ro f c o m p o s i t e t h i n - w a l l e dr e v o l v i n gb o d i e s a b s t r a e t 办ea p p l i c a t i o no fc o m p l e xm a t e r i a li si n c r e a s i n gi ni n d u s t r i a la r e a s , e s p e c i a l l yi nt h e m a m t f a c t u r co fa v i a t i o na n dm o t o ri n d u s l a i a l ai l c wm e a s u r i n gi n s t r u m e n th a s c do i lt h e p r i n c i p l ef o rt h es o l i do fr o t a t i o ns u c h 笛r a d o m e h a sb e e nd e v e l o p e da n dm a n u f a c t u r e d n e p r o b l e mo ft a p e rt e s ti ns p e c i a le q u i p m e n th a sb e e ns o l v e d t h ec o n t r o lp r i n c i p l ea n dt h eco m p o s i t i o no ft h eo p e nc n cs y s t e r nb a s e do l li p ci nt h e i n s l r u m e n ta n dt h em o d u l eo ft e s ta p r e s e n t e di nt h i sp a p e r ak i n do fh a r d w a r cp l a t f o r m , w h i c hr e g a r d s 口ca n di n d u s t r i a li n t e r f a c ec a r d sa st h e c o n t a o lo o r i sd e s i g n e da n de o m t r u e t e d a c c o r d i n gt on e e d so fm a j nf u n c t i o na n da u x i l i a r y f t m e t i o n s , t h eg e n e r a ll a y o u to fs o f t w a r ea n do r g a n i z a t i o n a l 卸m 目e m c n to ft h ef u n c t i 0 1 3 m o d u l e sa p l a n n e da n dd e s i g n e d 1 h es o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hv c + + i t se o m l x , s c do fm a n u a lf i m e t i o n , h a n d - m e a s u r ef u n c t i o n , a u t o - c o l l e c t i o na n da u t o - $ f l 、t cf u n c t i o n , a u t o m a t i cd a t ap r o c e s s i n g f i m e t i o n , c 1 1 - o l - e v a l u a t i o na n dv i s u a lo u t p u t 皿cs y s t e mw i t ht h ee h a x a e t e ro fr t m n i n gs t a b l y f r i e n d l yi n t e r f a c e , h i g hi n t e l l e c t u a l i z e dd e g r e e ，co u l dm e e tt h ed e m a n d so ff d d o r l r l ct a p e r m e a s u 强翘嘶f u r t h e r m o r e i t sh i g h l ye a h a n e e dt h ef l e x i b i l i t ya n dt h ea u t o m a t i z a t i o no f r a d o m et a p o rt e s te q u i p m e n t 1 1 地m e a s u r i n gm e t h o da n dd a t ap r o c e s s i n ga i n t m d u e e a i nt h i s p a p e r - i h e s p e c i f i c a t i o no ft l a cs y s t e ma n dm a c h i n et o o la r ca a a l y z e 正卫璩t a p e ri so b t a i n e db ym e a s u r i n g t l a cg e n e r a t r i xo fw o r k - p i e c ea n df i t t i n gt h el i n ee q u a t i o nu s i n gt h el e a s ts q u a r e st e c h n i q u e s ， t h e nc o u n tt h ee q u a l i z i n gv a l u eo f m u l t ig e n c r a t r i x s s o m ek e yt e c l m o l o g i e sf o rt l a em e a s m i n gi ：l t o rc o n t r o la n d 锄rc o m p e n s a t i o na r e d i s e u s s e d , f o ri n s t a n c e ，t h et e c l m i q u eo fs o f t w a r ee r r o rc o m p e n s a t i o n , r e t i f f c i a lc o n t r o la n d t e s to fl a s e ri n t e r f e r o m c t c r 仙o ft h ec o n c l u s i o n sh a v e b e e np r o v e df e a s i b l et h r o u g ht h em a n u f a c t u r ep r o g r e s s k e yw o l d s ：t a p c r ；c o m p l e xm a t e r i a l ；o n - m a c h i n em e a s u r i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：型嗌日期：逸z ! 主：翌 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解。大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：丑鲎 导师龋砌导师签名：羔! ! ! 出业2 年卫月超日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的背景和意义 2 0 世纪6 0 年代以来，科学技术的发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料 的性能要求越来越高，在许多方面，传统单相材料的性能已经不能满足实际的需求。这 就促进人们研究制备出许多由多相组成的复合材料，以提高材料的性能。国标标准化组 织定义复合材料即由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相 固体，其性能并不是组分材料性能的简单加和，而是有着较大的改进。随着复合材料的 品种不断增加，应用范围从军工到民用、从尖端技术到一般材料，十分广泛，在国民经 济和国防建设中发挥着重要的作用。有人预言，2 1 世纪是将复合材料的时代。 随着航空航天技术的发展，对结构材料的比强度、比模量、耐热性和加工性能的要 求都越来越高。针对不同的需求，开发出了高性能树脂基先进复合材料，以后又出现了 金属基和陶瓷基先进复合材料。2 0 世纪6 0 年代，树脂基高性能复合材料已用于飞机的 承力结构，后又逐步进入其它工业领域。如陶瓷基、增强树脂基等复合材料，属于具备 光、电、磁、热等功能和结构一体化的复合材料，以其优良的防热、承载、透波和抗冲 击等性能，被广泛用于航天、航空、军事装备等领域，成为运载火箭、导弹及返还式卫 星等飞行器的重要组成部分，其优良的性能保证飞行器在极其恶劣环境条件下依然能够 完成通讯、遥测、制导、引爆等飞行任务【1 l o 复合材料种类繁多。像有机纤维增强树脂基体复合材料和无机陶瓷这类材料，具备 优良的电磁透波性，抗热气密性，但成本极高，成型工艺复杂，韧性与抗变形能力差且 无法修补，给加工和测量过程造成诸多困难，尤其是薄壁套筒类零件，刚度差、易变形， 与其他套筒零件的配合安装时，不仅要求有较高的加工精度，其锥度也是影响配合精度 的重要指标之一。 三坐标测量机是目前国内外使用最多的高精度测量设备，测量目标零件多个离散 点，有效拟合空间曲线方程，即可求褥回转体的实际锥度。三坐标测量机具备较高的测 量精度，但效率极低。实际生产中，大型复合材料薄壁回转体也主要依赖专用测量设备 ( 如三坐标测量机) 检测其锥形度误差，这种测量方法需要经过工件加工一拆卸一运输一 夹具定位一测量一运输一再次安装工件一加工等诸多步骤，而且忽略了夹具对工件造成的变 形，加工与测量环境迥异，测量结果不能作为加工的有效参考基准，影响加工质量，且 测量成本较高、周期冗长、安装重复定位引起加工误差，严重制约了生产效率。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 为满足用户对加工精度和效率越来越高的要求，很多数控机床生产厂及用户都希望 在其机床上配备各种加工精度检测设备。在机床上使用测头进行自动测量，可方便工件 的安装调整，大大缩短辅助时间，提高生产效率；在加工过程中进行尺寸测量，根据测 量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼备测量机 的某些功能。 本课题研究的系统，其被测对象是母线为直线的复合材料回转体薄壁零件( 见附录 a ) ，检测目的是在现有回转体的内廓面加工设备( 数控车床) 上，在不拆卸工件和夹 具的情况下，实现工件内廓面锥度的在线测量。本测量系统的关键在于必须在现有加工 设备基础上，提供一套高精度的检测手段以检测工件加工后的形状和几何精度。该系统 既要依附于原加工设备，又不能受到原加工设备运动控制精度的影响。 利用机床原有的运动系统，大大简化了检测系统的构成，降低了系统成本；本方案 应用误差补偿技术解决了机床运动误差、几何误差、控制误差等影响测量精度的问题， 实现了工件的高精度在线测量；使用工业控制计算机，系统功能强，可扩展性好，能够 适应不同形状、不同尺寸规格的产品内廓面母线几何精度和形状精度的测量。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研锘4 成功，有效地避免了工件的弹性变形 对测量结果的影响。生产中，工件无需重复装卸，规避安装误差及重复定位，实现了加 工系统与测量系统一体化，极大的降低了生产成本，提高了生产效率。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 测量技术的研究概况及发展趋势 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之一，这己被生产发展的历史所确 认。从生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相关 的。有人认为材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密工程( 包括宇航) 的三大支 柱。对于科学技术来说，测量与控制是使其发展的促进因素，测量的精度和效率在一定 程度上决定着科学技术的水平【2 】。 检测技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的科技水平。目前，随着生产与科 学技术的迅速发展，对测量方法的精确度、测量效率以及测量的自动化程度的要求也越 来越高。传统的检测技术很难适应这种新的要求，特别是在某些特定场合，如微小尺寸、 曲面轮廓及孔径等，有的成为传统检测方法无法实现的难题。因此，探索新的检测方法， 具有十分重要的现实意义。 大连理工大学硕士学位论文 目前常用的飞行器头锥几何参数测量方法包括：三坐标测量机测量法、光学三坐标 测量机法等多种方式。 三坐标测量机集精密测量技术、光机电一体化技术、电子计算机技术为一体的高科 技测量设备，通过对零件表面点的测量来获得零件形面上离散点的几何信息，然后通过 计算，还原出零件形面的几何信息，并在这些信息的基础上，计算出零件中各几何元素 的尺寸与形位公差，主要用于精密零件的几何量测量。 超声波测量( 例如通用电气子公司p a n a m e t r i c s 的产品) ，需要涂抹耦合剂( 有些 零件不允许表面附着任何杂质) ，而且易受被测介质材料均匀性、零件曲率、面型凹凸 特征、方向不确定性等影响，即使在较理想的条件下，测量误差尚为5 , t m 3 1 ，不能满足 精密测量要求。 在测量方式上可分为接触式测量和非接触式测量两种方法。接触式测量精度较高， 但测量效率较低，适用于高精度常规零件的测量，当然也能用于对曲线曲面的测量，特 别是箱体类，但效率相对较低，主要用于关键尺寸的控制。非接触式测量又分为激光测 量与c c d 拍摄测量两种，精度相对较低，但其采点速度快，多用于复杂外表形面的测 量。零件的测量从上世纪8 0 年代开始。基于非接触测量方法的激光扫描测头逐渐在三 坐标测量机上使用，代替接触式测头，大大增加了三坐标测量机测量几何参数的适用性 和柔性。此外，由于非接触式测量具有快速性，因此也越来越多的应用在生产线上的在 线测量1 4 - 7 1 。 以上几何量测量方法与技术可用来间接测量零件几何锥度。如对于像飞行器头锥这 类工件的锥度测量，可先分别测出工件的多个离散点空间坐标，然后拟合空间曲线方程 求得飞行器头锥锥度。 三坐标测量机的应用日趋广泛，特别是在汽车，航天等领域。三坐标测量杌做为高 精度的三维检测仪器，在产品质量保障过程中起着不可替代的作用。从三坐标测量机进 一步应用来看，对产品质量控制不应局限在节点上，而应该对零件的整个制造过程进行 控制。而三坐标测量机在这方面是有条件的，因为三坐标测量应用的最大特点是它将零 件的精度状态完全数字化了。因此，三坐标测量机将在今后零件加工精度的过程控制方 面起到更加重要的作用。 1 2 2 在线检测技术的研究概况及发展趋势 大批量高精度零件生产的互换性要求，使得零件的加工尺寸必须限制在一个很小的 公差范围内。因此，从上世纪三十年代开斟蹦1 1 ，在磨床上出现了一些测量装置，能够 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 指示出零件被磨外圆或内圆的直径。当时的测量装置主要是机械杠杆传动放大与一些指 示测微表的组合，当误差超过一定值时，便停止加工。这是零件在线检测的起源。 上世纪四十年代，欧洲和苏联等工业较发达的国家，研制出了尺寸测量仪用于控制 加工过程，减少废品的产生。这种测量方式在当时被称为加工过程主动检验。5 0 年代， 随着工业电子学的发展，在线检测技术由机械式检测装置向电气化装置发展。出现了继 电器反馈控制加工机床，使机床按照既定的工序加工。随之而来的是高压式气动量仪的 应用，带有电气触点和控制线路的气动量仪逐步应用于在线检测中。 上世纪6 0 年代以来，微电子技术、计算机技术、传感器技术、激光技术和光电技术 等的快速发展，给零件在线检测带来了新的活力，同时为零件在线检测的发展提供了丰 富的物质基础。在线测量发生了很大的变化，其参数从单参数向多参数发展；检测装置 从单机到成套机械以及整个车间；自动化程度从简单的闭环控制到以计算机为中心的多 参数综合监测控制和故障自动诊断；测量精度由厘米级向毫米级、纳米级发展。 我国在线检测技术的研究和应用起步较晚。上世纪5 0 年代开始引进外国的在线测量 仪器。1 9 6 6 年建成我国第一个专门生产自动测量仪器的工厂一中原量仪厂，其产品用 于对机械加工零件尺寸进行在线检测。八五期间出现了专门生产在线检测用的各种测量 模块，量规、测量夹具及多参数测量系统等。从上世纪7 0 年代以来，传感器技术、数显 技术、机电一体化技术快速发展，在线测量技术也迅速发展。在线检测作为一门独立的 学科，在机械、电子、化工、发电等工业部门都得到了广泛的应用。 目前，国内外在线检测技术的发展趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 保证在线检测系统的可靠性。 ( 2 ) 建立专门研究与制造在线检测装置的模块化、通用化、标准化产业。 ( 3 ) 在线检测系统由单参数检测向多参数综合检测、从单机检测向整机系统及整个 车间全厂、从大批量生产向中小批量柔性自动化检测系统发展。 ( 4 ) 激光测量技术和光电技术的发展为在线精密检测奠定了良好的基础，非接触在 线连续检测已经成为当今在线检测技术发展的趋势。 ( 5 ) 多传感器融合技术应用于制造现场，在线检测仪器向便携式、智能化方向发展。 将多种数字化测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化测试仪器也 己用于在线检测。 r 4 - 大连理工大学硕士学位论文 1 3 课题完成的主要工作 本课题以现有加工设备c k w “，型数控车床为基础。针对飞行器头锥这类零件，研 制了复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 飞行器头锥几何参数溅量原理静研究。研究飞行器头锥锥度的原理，根据测量 原理、特点和测量精度要求，构建测控系统总体方案。 ( 2 ) 基于工业控制机的开放式控制系统硬件组成及实现原理。 ( 3 ) 研制控制软件设计中的关键性问题，以面向对象为基础，研究测控系统软件的 奉系结构和模块功能，解决基于w i n d o w s 下工业实时控制、长度计超程急停保护，数据 果集、存储及传输，交互式管理层人机界面的设计及硬件接口程序的实现过程。 ( 4 ) 研究在机测量系统的测量方式，选择有效合理的数据处理算法。 ( 5 ) 分柝泓量中可能出现的多种误差。通过离线检测和控制软件进行补偿， ( 6 ) 现场调试工作，根据现场加工条件和测量环境，完善在机测量系统，交付用户。 锥形度误差在线测量技术是保证零件质量和提高生产率的重要手段，在机械加工中 扮演着十分重要的角色。随着计算机测控技术的发展，出现了以单片机、工业控制机和 p l c 为控制实体的全新的机电一体化测量仪器与在线测量系统p ”。上述三种实时控制单 元又可以通过现场总线与微型电子计算机系统( 上位机) 进行通信，从而构成大型网络化 的远程实时监控系统。对于圆锥体的检测问题，提出了通过测量锥体表面点来间接计算 结果的方法 3 8 1 。自感应传感器分布测量法【3 9 】，利用光栅尺，角度编码器，传感器驱动 电机以及自感应传感器实现对锥形零件的形状与角度参数( 锥形度) 的测量，回转体旋 转一周，就可以通过传感器的跟踪轨迹获得系列测量数据，通过这些数据计算出工件 的位置，角度以及几何参数。 国外在锥形工件的测量研究中，多数使用坐标测量仪 4 2 1 利用接触式探测器测量工件 表面综合评价工件锥形度误差，这种测量方法，不仅能够精确的测量锥体的锥度误差， 还能对圆度误差等些综合误差进行评定。传感器圆周分布多点测量法【蚰，4 1 】应用日益广 泛，并将多传感器融合技术应用于制造现场，在线检测仪器向便携式、智能化方向发展。 将多种数字化测试仪器虚拟成一台以计算枧为硬 牛支撑的数字式的智能化测试仪器也 己用于在线检测。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 2 测量系统原理及系统总体方案构建 2 1回转体零件锥度在机测量系统的重要组件 2 1 1 数控车床 。 数控机床是在微电子技术、计算机技术、自动控制、自动检测及精密机械制造业等 技术的基础上发展起来的新型机床。它是现代机械制造业实现和发展柔性自动化生产的 基础装备。随着计算机集成制造系统c i m s 等先进制造技术的发展，要求数控机床加工 发展方向：一是以提高效率为主的自动化，既通过计算机参与整个制造过程的信息处理 与控制，提高自动化程度，提高生产率，缩短产品的制造周期；二是以提高精度为主的 精密化，通过现代测控手段实现超精密加工及检测。 c k w ”数控机床主要用于车削各种零件的内外圆柱表面、端面、曲面、圆弧及公 制螺纹、英制螺纹、模数螺纹和径节螺纹等成形表面，还可以满足钻孔、镗孔、套料切 槽、切断等工艺要求，同时也适用于硬质合金刀具进行强力车削，加工各种黑色金属和 有色金属。机床具有功率大、刚性好、精度高和精度保持性好等内在特点。配备 s i e m e n s 8 1 0 d 数控系统，安全可靠，能良好地保证机床的可靠性。以线性光栅尺为检 测元件，纵、横向进给分别由伺服电机驱动滚珠丝杠，构成全闭环配，并有c r t 显示， 具有刀具补偿，图形显示、故障诊断，加工同时编程。图形显示及快速编程等特点，主 传动系统为齿轮传动，用滑移齿轮实现自动无级变速。整个机床布局紧凑合理，宜人性 好，床鞍粘有高磨性能软带，大幅度提高了使用寿命，并具有较好的精度保持性。 该系统以母线为直线的复合材料回转体薄壁零件为研究对象，以现有c k w ”，型数 控车床为基础，在不卸工件和夹具的情况下，实现工件内廓面锥度的在机测量。 2 1 2 光栅尺传感器 光栅尺是一种数字式传感器，其突出优点有：具有很高的测量精度和分辨率，测量 范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理，传送和自动控制：便于动态及多路 测量，读数直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。 传感器主要由光源、光学透镜、节距相等的光栅幅( 主光栅和指示光栅) 及光电子 原件等组成。利用光栅传感器检测位移的实质就是以光栅距作为一把标准尺子对位移进 行检测。当两块光栅以微小倾角日重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫 尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动【1 2 1 。于是可把对光栅栅距的测量转 大连理工大学硕士学位论文 换为对莫尔条纹个数的测量。由于0 角较小，莫尔条纹的间距b 与光栅栅距w 的关系近 似为：b - w 0 ；可见，莫尔条纹具有光学方大作用，其放大倍数为：k 1 b wt 1 e 。 这样就可把对小位移的测量转换为对大位移的测量，使测量精度得到提高。在莫尔条纹 移动的方向上放置光电探测器件就可以把光强弱的变化转换为电信号的变化l 捌，从而输 出一系列的脉冲信号。 信号的转换原理包括以下两个部分： ( 1 ) 电子细分为提高系统分辨率，可对输出的脉冲信号进行细分。电子细分【1 4 1 的 方法主要有四倍频细分、电桥细分、电平切割法细分、调制信号细分以及锁相细分 1 5 j 6 等。 ( 2 ) 辨向及计数原理在实际测量过程中，由于光栅尺是双向移动，因此对位移的 检测既要检测大小，又要检测方向，而在固定位置放置的光电器件只能接受到固定点的 莫尔条纹信号，这样只能判断出条纹的明暗变化，无法辨别条纹移动的方向。利用两路 相位差为万2 的光电信号可以辨别方向，通常在相隔1 4 条纹间距的位置上安放两个光 电元件，设指示光栅正向移动时，输出电压分别为u ，和e ：，经过整形电路得到两个方 波信号u ：和u ：。n ：经反向后再微分并和n ：相与，输出减计数脉冲。u ：的电平控制了u ： 的脉冲输出，使光栅正向移动时只有加计数脉冲输出；反向移动时，只有减计数脉冲输 出。 。 图2 1 为四场扫描原理的玻璃基光栅尺。扫描光栅尺的周期与带尺光栅周期相同。 光电池与扫描光栅的四个窗口对应，接收光线从扫描光栅和带尺光栅透过的光强信号。 这四个信号两两合成，以消去由于产生光源的电子器件的老化而造成的信号强度变化， 最终生成两个相位差为9 0 度的正弦交变信号，作为光栅尺的输出信号。扫描光栅相对 于带尺光栅每相对移动一个光栅周期的距离，即会产生一组两个相位差9 0 度的正弦信 号。输出信号再经数控系统细分处理和评价。数控机床坐标轴的分辨率是光栅周期除以 细分信号份数。这种光栅尺的光栅条纹一般不小于8 , u r n ，经过电子细分处理，分辨率 一般选择1 ，皿或o 5 ，衄为剔1 7 】。 x 和z 向检测部件是本系统的最关键部件之一，其精度直接影响本系统的测量精度， 本系统利用s d 邢m e r i l 【8 1 0 d 数控车床系统自身带有的光栅尺，它是德国 玎! 臃n h a 小公司的产品。其中x 向型号为l s 4 8 6 cm l 7 5 0 ，z 向型号为l b 3 8 2 c m l 5 4 4 0 。带纤细标尺外壳的直线光栅尺，主要用于安装空间受限的场合，可以用来测 量长达1 2 4 0 m m 的长度，若配以安装板，测量范围可达到2 0 4 0 r a m ，l s 4 0 0 系列的直线 光栅尺带纤细外壳，由于具有高的准确度和特定的热特性，很适合与n c 机床应用。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 l b 3 8 2 系列的增量式直线光栅尺带全面的光栅外壳，有特定的热特性，可允许较高的振 动，用于长度较长的测量，可达3 0 米。 图2 1 光栅尺工作原理 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l eo fg r a t i n gs e a l e x 向光栅尺l s 4 8 6 cm l 7 5 0 如图2 2 所示。测量范围7 0 m m - 1 2 4 0 m m ，以光栅周期 与热膨胀系数为测量基准，内置1 0 倍频细分：2 # m 。 图2 2l s 4 8 6 c 光栅尺 f i g 2 2g r a t i n gs c a l el s 4 8 6 c 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 z 向光栅尺l b 3 8 2 cm l 5 4 4 0 如图2 3 所示。测量长度长达3 0 米的增量式光栅尺， 测量步距0 1 p t m ，带线性机床误差补偿并有镜像结构。每5 0 m m 有一个参考标记由选择 板选择距离编码：按最大移动距离为8 0 m m 计算绝对值。 图2 3l b s 3 8 2 c 光栅尺 f i g 2 3g r a t i n gs c a l ei , b s 3 8 2 c 2 1 3 长度计 数字化采集技术是在传统的仿形加工技术的基础上发展起来的。上个世纪七十年代 出现了新型的三维模拟仿形仪。仿形仪的测头种类主要有接触式的模拟扫描测头、接触 式的触发式测头和非接触式的激光测头等典型产品。 采用模拟扫描测头的连续式扫描，由于存在摩擦力和弹性变形，以及受测头触指球 端直径大小的影响，不适合弹性，柔性、小尖角或凹角工件的精密扫描测量。该类型测 头的测量力较大，容易在低硬度的模型表面造成仿形指的压痕。另外，采用模拟扫描测 头采集的是测头触指球端中心的坐标，而不是模型表面的坐标。 曲面零件的主要几何信息包括面形特征和几何厚度两个指标，获取手段主要有非接 触式测量和接触式测量两种方法1 1 8 1 。 触发式测头测量力小，精度高。但是由于扫描时测头与模型表面断续接触，扫描速 度慢，适合采集数据量不大的场合。 上个世纪九十年代出现了非接触式激光扫描技术，可以对多种材料的模具进行数字 化采集，例如金属、粘土、纤维、木头、玻璃、石膏和塑料等等。但激光数字化采集也 存在着严重缺点：为防止杂散反射，测量前需对工件表面进行处理，通常是在工件表面 喷上一层白色粉末；当被测表面的倾角超过时，会出现一个辐射盲区，称为阴影效应， 从而不能准确测量工件表面的坐标位置。虽然可通过多轴控制来减少或消除阴影效应， 但增加了系统的成本。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 本系统需要检测的是复合材料零件的几何特征，由于复合材料表面的粗糙度较大， 有明显的“刀痕”和“绒毛”，所以不适合选用非接触式的激光测头；根据系统要求的 “简洁快速”测量的特点，所以不适合采用接触式触发测头。本方案选择h e i d e n h a i n 的s t l 2 0 0 系列长度计测量x 轴方向上的偏差，该测头的检测力很小，不会损坏工件的 内表面。其内部结构见图2 4 。 图2 4s t l 2 7 8 长度计内部结构 f i g 2 4 t h ei n n e rc o n f i g u r a t i o no fl e n g t hg a g es t l 2 7 8 2 1 4 长度计夹紧机构 长度计夹紧机构设计图见附录b 。 本系统s t l 2 0 0 系列长度计专用夹紧机构，由两部件组成。第一个组件用于长度计 的定位夹紧，并按照系统要求，可以选择正向夹紧或者反向夹紧；第二个组件用于第一 组件与车床刀杆的连接固定，安装方便，拆卸简易。针对不同类型的车床刀杆，只需要 重新设计第二部分组件，节省生产成本，满足测量需要。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 薄壁回转体锥度在机测量原理 2 2 1 锥度的定义及锥角测量方法 定义：两个垂直圆锥轴线截面的圆截直径差与该两截面间的轴间距离之比称为锥 度。 锥度用符号c 表示，即： c ，d - d( 2 1 ) l 其中，d ，d 分别为大，小端圆截直径，l 为两圆截面的轴间距离。 锥度c 与圆锥角口的关系为： c 2 t g 竺1 ：l c t g - 口= - ( 2 2 ) 。2zz 锥度一般用比例或分式表示。 锥角可分为内圆锥角和外圆锥角两种。 内圆锥锥角的检测方法有：( 1 ) 正弦平台；( 2 ) 正切平台；( 3 ) 在二、三坐标 测量机上测量；( 4 ) 二点测量法( 气动量仪) ；( 5 ) 单点法。 外圆锥锥角的检测方法有：( 1 ) 在二、三坐标测量机上测量；( 2 ) 用钢球、量块 组合在测长仪上测量；( 3 ) 正切平台；( 4 ) 专用角度块；( 5 ) 二点测量法( 气动测 量) ；( 6 ) 比较仪；( 7 ) 正弦尺。 此外尚有如下一些测量锥角的专用设备：( 1 ) 锥度测量仪；( 2 ) 气动量仪；( 3 ) 电动量仪：( 4 ) 锥度测微器。 2 2 2 锥度测量方法概述 目前，生产现场中使用的锥形工件的尺寸及形位误差的测量装置，大多数只能进行 加工后检测，不能主动控制工件的质量，对不合格工件的处理只有两种选择：即返修或 者报废。为了降低产品的成本，提高产品质量，实现大批量流水作业生产，希望能开发 测量效率高，耐恶劣环境，在加工过程中能主动控制工件质量的在线检测方法f 1 9 1 。 本章阐述了目前生产现场中典型个在机测量方法。并根据实际条件及系统要求提出 了回转体薄壁材料的在机测量法。 2 2 3 锥形工件在线测量方法 锥形工件在线测量法是在精密车削过程中测量锥形工件尺寸及形状误差的测量方 法，克服了半径法测量的缺点，吸收了直径法测量的优点。通过对加工系统中运动误差 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 的分离，用三个传感器可测得切削处的工件直径，并通过滚动光摄尺传感器测量刀架的 轴向位置，以次评定工件锥度。 在切削过程中，由于存在切屑、油污、冷却液、振动等对测量不利的因素，采用了 接触式测量。另外，所测尺寸应能正确地反映切削点的工件直径，以便精确地控制工件 尺寸。选用了三个大量程的光栅位移传感器，传感器c 1 ，q ，c 3 的布置方式，如图2 5 所示。 图2 5 传感器测量圆锥面 f i g 2 5 s e i t s o rl e s tp y r a m i d a lf a c e 图2 6 传感器测量圆柱面 f i g 2 6 r o u n d n e s sl e s t 大连理工大学硕士学位论文 测量前，先用已知直径d n 的标准轴进行校验，如图2 6 所示。校验时，三传感器的 示值分别为& 、s 。、s , oa 设c l 零位与c 2 零位、c 2 零位与g 零位之间的距离分别为e 和k ，则由图得到： f + + s 3 0 - l o1 隆一- 譬嘞 q 3 测量时，若在某一时刻，三传感器的示值分别为墨。，s 。，同理可得到如 下关系式： d 0 + l + 屯l 一厶1 渗”e - 导岷 眈4 由式( 2 3 ) ( 2 4 ) 解得切削点处的直径d 1 为： d l - n o + 砜一+ 一勰1 + 毛1 一岛l ( 2 5 ) 由于对径测头c 、c 1 已将主轴回转运动误差等基于加工机械系统的运动误差进行 了分离；另外，测量时c 】、g 的直线偏摆由标准棒校出后输入单片机予以消除，所以 式( 2 5 ) 求出的d l 具有较高的精度。求出d 1 后则可进行尺寸的控制，此外，由个传感 器获得的信号，还可求得工件锥度。 2 2 4 簿壁回转体在机测量方法 综合多种测量方法，系统本身的特点与要求，确定了薄壁回转体锥度在机测量的测 量方法，选择依据如下： ( 1 ) 普通的锥度测量法，如利用锥度仪、量块的测量方法，无法满足高精度的测量 要求。 ( 2 ) 2 2 2 章节中阐述的传感器3 点测量法不仅可以满足精度要求，而且能够实时读 取加工数据。但是成本极高，对测量环境要求较高，并且只能测量外阔面工件锥度。本 测量系统要求测量内阔面母线，且测量环境较差，工件表面粗糙度较高，切屑较多，因 此不宜采用上述传感器3 点测量法。 ( 3 ) 为了保证测量精度，系统要求在机测量精度必须达到三坐标测量机测量值- + 1 5 ， 因此该系统测量过程中，不仅要补偿数控机床产生的各种无偿，也应该尽量规避一些不 宣补偿的误差，如主轴回转误差，安装误差等。所以，测量时，要求工件处于静止状态， 避免由于工件旋转引入的回转误差与安装误差。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 综上所述，系统选用的测量方法，即保证工件处于静止状态，测量单条母线上的多 点，计算锥度。旋转测头，测量反方向单条母线，求均值。 图2 7 为在机测量系统的测量原理图，按照2 2 1 章节中所述，圆台体上、下两底圆 的直径差与锥体高度的比值，即为锥度。在理想条件下，利用光栅尺反馈数据，测得工 件不在同一平面内的任意两点，即可求出工件锥度。但在实际测量中，包含工件变形、 设备误差等诸多不利因素。因此，设计软件分析补偿测量过程中设备运动、控制精度可 能造成的各种误差；并测量单条母线上多点，利用最d , - 乘法拟合数据，计算得到工件 内廓面母线的平面方程。 数控车床光栅尺反馈数据仅能提供平面坐标，若利用c 轴旋转角度建立空间坐标系， 将重复引入安装误差和主轴旋转误差，对测量结果影响较大，故系统提出如下测量方法， 并利用线性最小二乘法拟合测量数据。如图2 8 所示： ( 1 ) 测量一条母线上的多个点； ( 用最d * - - 乘法拟合多个测量点，求出理想母线方程； ( 3 ) 旋转长度计，按照( 1 ) ，( 2 ) 步骤测量多条母线； ( 4 ) 求多条母线锥度的均值，得到工件的实际锥度。 工件夹具 图2 7 测量原理 f i g 2 7 m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e 大连理工大学硕士学位论文 图2 8 锥度的测量方法 f i g 2 8t a p e rm e a s u r e m e n t 2 3 系统总体构建方案 测量控制系统总体构成图如图2 9 所示。 系统以现有加工设备c k w s $ 型数控车床为基础，在刀杆端增加可拆卸高精度长度 计、长度计专用夹具及微调机构，测量精度较高，经4 倍频之后分辨率可达到1 “。 测量时，卸下刀具，利用专用长度计微调机构将长度计固定在刀具的位置。工件处 于静止状态，长度计沿工件母线方向依次测得若干点。以全闭环数控车床光栅尺( x 向 型号l s 4 8 6 cm l 7 5 0 ，z 向型号l b 3 8 2 cm l 5 4 4 0 ) 为坐标检测基准，位置计数接口电路 实时读入光栅尺的数据和测头的位移量，通过中转板由工控机完成数据存储，数据转换 与处理，并最终得到工件x 、z 坐标，其中x 坐标中是x 向光栅尺与长度计读数的叠加。 操作系统软件将记录并存储这些数据，并自动利用误差分析补偿原理补偿数据，使x 向 与z 向坐标更接近理想值，数据处理，得到单条母线曲线方程。为规避随即误差的产生， 需分别测量多条母线求其平均锥度。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 t 图2 9 测量控制系统总体图 f i g 2 9 c o n 舡o ls y s t e mo fm e a s u r e m e n t 2 4 小结 本章详细阐述了实现飞行器头锥类薄壁回转体零件锥度在机测量系统的重要组件， 并根据测量任务提出了飞行器头锥内阔面母线锥度的在机测量原理：利用专用长度计微 调机构将长度计固定在刀具的位置，测头按照母线轨迹运动，逐点对飞行器头锥内廓面 进行测量，规避或补偿测量时可能产生的多种误差，通过数据存储，数据处理完成对回 转体内阔面母线的测量与计算。整套系统简易，可靠，操作方便，完全满足测量要求。 大连理工大学硕士学位论文 3 控件系统硬件的构建 3 1 概述 数控系统的体系结构是指整个控制系统的基本构成形式以及各组成单元之间的相 互作用关系的总和。数控系统的具体特性，如性能、成本、可扩展性等，都是由其控制 系统的体系结构所决定的。研究和设计一种功能健全、组织严密、运行可靠的体系结构， 是保证控制过程协调统一和系统功能扩展性的重要条件之一。当前，数控系统正在从专 用型封闭式的体系结构逐步向通用型开放式的体系结构转变和发展【刎。 对于控制系统来说，除了应该具有稳定性、可靠性之外，还应该具有高精度性和对 软件系统的良好的支持性。在设计硬件系统时，必须对整个系统的任务作详细分析和考 虑，才能设计出符合要求的硬件系统。通常硬件系统设计是控制系统设计的第一步，只 有在硬件系统设计并构建结束后，才能考虑相应的软件策略。所以，硬件系统的设计对 一个控制系统来说是至关重要的。 对于飞行器头锥锥度在机测量设备的控制系统，还具有其特殊性。除了应该考虑到 稳定性、可靠性之外，还应该重点考虑系统的高精度问题。 3 2 控制系统硬件组成及实现原理 3 。2 1 硬件控制系统 复合材料薄壁回转体锥度在机测量控制系统由工业控制计算机、计数卡、数字量接 口卡及测量设备等几部分组成，实现原理如图3 1 所示： 各部分功能简述如下： s t l 2 7 8 长度计：提供高精度的接触检测信号； x 、z 向光栅尺：提供高精度的位置检测数据； 工业控制计算机：用于进行测量数据的采集和处理以及测量结果显示与存储； 脉冲计数接口电路：实现实时数据采集和计数； 数字量接口：用于数字量的输入和输出； 数据处理与控制软件：完成检测数据处理、输出和运动控制等功能； ， 在测量过程中，长度计每隔一定长度触发一次，每次压偏量5 m m 左右，位置计数 接口电路实时读入光栅尺的数据和测头的位移量，通过数据处理得到工件x 、z 坐标。 根据测得的多点数据并进行数据拟合，即可得到工件内廓形的锥度和内廓面母线的形 状。 复合材料薄壁回转体锥度在机测量系统的研究 图3 1 硬件控制系统构成总体图 f i g 3 1 t h ec o m p o s i t i o no f h a r d w a r ec o n t r o ls y s t e m 3 2 2 工业控制计算机口c 工业控制计算机是整个系统的硬件平台。工业控制计算机与普通计算机外设相兼 容，为了方便用户输入，并方便地将机床状态和测量结果显示给用户，工业控制计算机 采用p c 通用外设。外设包括彩色打印机、键盘鼠标、液晶彩显和光盘驱动器。工业控 制计算机内部结构与普通计算机差别比较大。工业控制计算机是以一块工业底板为基 础，其它功能的板卡都是以一定总线模式插在工业底板上的。工业底板如图3 2 所示。 工业控制计算机的主板，通常包括为中央处理器