（机械制造及其自动化专业论文）电阻基板安装平行度在线检测系统的研究与开发.pdf

原创性声明 f f i i ii i jii il llr l lrlfi 17 4 1 2 4 1 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期：p p ：! ：! ： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：选i 至盈! 导师签名：日期：钞f 型 上海大学硕：t 学位论文 图书分类号：t p 2 0 6单位代码：1 0 2 8 0 学号：0 7 7 2 0 9 4 2 上海大学工学硕士学位论文 电阻基板安装平行度在线检测 姓 导 系统的研究与开发 名：沈佳磊 师：李居峰 学科专业：机械制造及其自动化 上海大学机电工程与自动化学院 2 0 1 0 年0 3 月 i l l 上海大学硕士学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e e o fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h eo n 1 i n ed e t e c t i o n s y s t e mo f p a r a l l e l i s me r r o r so f s u b s t r a t er e s i s t a n c e m d c a n d i d a t e ：j i a l e is h e n s u p e r v i s o r ：j u f e n gl i m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o n e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a u t o m a t i o nc o l l e g e ， s h a n g h a iu n i v e r s i t y m a r c h ，2 0 1 0 i v 上海大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于联合汽车电子有限公司。在该公司的d v e 5 电子节气门生产过程 中，电阻基板的安装平行度误差是决定产品质量的关键指标，它直接影响电子节气 门反馈电压值与节气门开度间的线性关系，并对发动机电子控制单元的运算准确性 产生重要影响。研究与开发电阻基板安装平行度在线检测系统，是d v e 5 电子节气 门产品质量的重要保障，对于整车动力性能，驾驶舒适性以及燃油经济性都有重要 意义。 本文根据实际生产需要，结合形位误差检测相关国家标准，研究并开发了一种 基于激光三角法的电阻基板安装平行度误差在线检测系统。主要研究内容如下： 第一，根据实际设计要求并参考形位误差检测国家标准，以坐标测量作为平行 度误差检测原则。经过分析确定以激光三角法为总体检测方案，并对激光三角法中 具体的光路与检测器件作比较与选择。 第二，利用最d x - - 乘法建立平行度误差的关联基准平面，由此得到定向最小区 域并给出平行度误差的计算模型。 第三，建立平行度检测的硬件系统，包括工作台结构的选择、传动系统、控制 系统的设计以及c c d 激光传感器的选型，使系统能满足平行度检测要求。 第四，建立平行度检测的软件系统，编写上位机对c c d 激光传感器的u s b 接口 数据采集程序，实现上位机与p l c 的串口通信功能，利用v b 与m a t l a b 的混合编程 完成算法实现。建立友好便捷的用户界面与数据管理系统。 第五，对影响该系统精度的各种误差因素进行了详细分析，计算得到极限误 差。通过实际生产数据得出检测系统的重复性精度，结果表明系统满足设计要求。 最后本文在第七章对全文作了简要的总结，讨论了有待进一步研究的问题。 关键词：平行度误差，激光三角法，最小二乘法，在线检测，误差分析 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ep r o j e c tc o m e sf r o mu a e s i nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fd v e 5e l e c t r o n i c t h r o t t l e ，t h ei n s t a l l a t i o np a r a l l e l i s me r l o l so fs u b s t r a t er e s i s t a n c ei sa l li m p o r t a n tf a c t o r t h a th a se f f e c to np e r f o r m a n c ea n dq u a l i t y i th a sad i r e c ti m p a c to nt h el i n e a r i t yo ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l t a g ef e e d b a c kv a l u ea n dt h r o t t l eo p e n i n ga n g l ea n dt h e c o m p u t i n ga c c u r a c yo fe c u i ti s a ni m p o r t a n tg u a r a n t e ef o rt h eq u a l i t yo fd v - e 5 e l e c t r o n i ct h r o t t l et or e s e a r c ht h eo n - l i n ed e t e c t i o ns y s t e mo fp a r a l l e l i s me i t o r so f s u b s t r a t er e s i s t a n c e t h et h e s i sr e s e a r c ha n dd e v e l o pa no n l i n er e s i s t a n c eo fs u b s t r a t e si n s t a l l e dw i t h t h ea c t u a lp r o d u c t i o nn e e d so fc l i e n t sa n dn a t i o n a ls t a n d a r d so ff o r m - p o s i t i o ne r r o r s d e t e c t i o n t h ea c h i e v e m e n ti si n d i c a t e db e l o w ： f i r s t l y ，t h et h e s i sd e f i n e st h ec o o r d i n a t ed e t e c t i o np r i n c i p l ew i t ht h en a t i o n a l s t a n d a r d so ff o r m p o s i t i o ne r r o r sd e t e c t i o na n de s t a b l i s ht h ep l a no fl a s e rt r i a n g u l a t i o n s e c o n d l y ，c r e a t e t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f p a r a l l e l i s m e l l o r sb a s e do nt h e l e a s t s q u a r e sm e t h o d t h i r d l y ，e s t a b l i s ht h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d i n gt h es t r u c t u r e ，d r i v es y s t e m ， c o n t r o ls y s t e ma n ds e n s o rs y s t e mt om e e tt h ed e s i g n f o u r t h l y ，c o m p l e t et h es o f t w a r es y s t e m ，p r e p a r et h eh o s tc o m p u t e rt ot h ec c d l a s e rs e n s o ru s bi n t e r f a c ed a t a a c q u i s i t i o np r o g r a m a c h i e v e t h ep l cs e r i a l c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n dr e a l i z et h ea l g o r i t h mb ym i x e dp r o g r a m m i n gb e t w e e n v b a n dm a t l a bt oc o m p l e t et h ep r o c e d u r e s f i f t h l y ，c a r r i e do u tad e t a i l e dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ev a r i o u se r r o rf a c t o r st h a t a f f e c tt h es y s t e ma c c u r a c y t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h em e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ec h a p t e rv i io ft h ep a p e rl i s t e dab r i e fs u m m a r ya n ds o m ei s s u e st ob ef u r t h e r d i s c u s s e d k e y w o r d s ：p a r a l l e l i s me r r o r s ，l a s e rt r i a n g u l a t i o n ，l e a s t s q u a r e sm e t h o d ，o n l i n e d e t e c t i o n ，e r r o ra n a l y s i s v i 上海大学硕上学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t ： 目录v i i 第一章绪论。1 1 1 课题来源1 1 2 课题背景1 1 2 1 电阻基板安装平行度对电子节气门性能的影响分析1 1 2 2 电子节气门的生产工艺2 1 3 形位误差检测技术研究现状3 1 3 1 国外研究现状。3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 课题研究目的及意义5 1 5 本人的主要研究内容5 第二章检测原理与方案的确定7 2 1 系统设计指标7 2 2 平行度误差检测原则7 2 3 平行度误差检测方法8 2 3 1 基于“与拟合要素比较原则”的检测方法8 2 3 2 基于。测量坐标值原则”的检测方法1 0 2 a 激光三角法检测方案1 3 2 a 1 激光三角法原理1 3 2 4 2 光路的比较与选择1 5 2 4 3 检测器件的比较与选择1 8 2 5 本章小结。1 9 第三章平行度误差的分析与计算2 0 3 1 形位公差基本理论与标准规范2 0 3 1 1 要素的定义2 0 3 1 2 公差及公差带定义2 2 3 2 平行度误差定义。2 3 3 3 基准建立的原则与方法2 4 3 4 基准平面的拟合2 6 3 4 1 三点法2 7 3 4 2 对角线法。2 7 3 4 3 最小二乘法。2 7 3 4 4 最小区域法2 9 3 4 5 几种基准平面拟合方法比较31 3 5 定向最小区域的确定与平行度计算3 1 3 6 本章小结。3 3 第四章系统的硬件设计3 4 l 上海大学硕士学位论文 4 1 机械结构设计3 4 4 1 1 测量工作台结构布置。3 4 4 1 2 传动与支承部分设计3 4 4 2 控制系统设计3 8 4 2 1 下位机的选择3 8 4 2 2 驱动系统设计4 1 4 3c c d 激光传感器的选型4 2 4 4 本章小结。4 5 第五章系统的软件设计。4 6 5 1 软件系统的总体框架。4 6 5 2u s b 接口数据采集的实现4 6 5 2 1u s b 简介及特点。4 7 5 2 2u s b 总线结构4 8 5 2 3v b 环境下上位机对u s b 设备的访问4 9 5 3p l c 与上位机串口通信的实现。51 5 3 1 串口通信的常用方法5 2 5 3 2 上位机与松下p l c 通信协议的确定5 3 5 3 3 上位机与p l c 通信相关程序5 5 5 4 算法的实现5 6 5 4 1v b 与m a t l a b 的混合编程5 6 5 4 2 接口编程的方法5 6 5 4 3 平行度误差计算程序5 8 5 5 系统的界面设计6 0 5 6e x c e l 数据库设计6 1 5 7 本章小结6 3 第六章系统的误差分析6 5 6 1 检测系统的误差来源6 5 6 2 影响精度的误差因素分析6 6 6 2 1 悬臂负重弯曲产生的误差6 6 6 2 2 导轨的跳动误差6 7 6 2 3 激光传感器安装角度倾斜引起的误差。6 7 6 2 4 激光传感器的线性度误差6 8 6 2 5 环境温度引起的误差6 8 6 3 精度估计。6 9 6 4 系统的重复性精度6 9 6 5 本章小结7 0 第七章总结与展望7 1 7 1l 者论7 1 7 2 展望7 2 参考文献一7 3 作者在攻读硕士学位期间发表的论文和所做的项目7 7 致谢7 8 v 1 1 1 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 课题来源于联合汽车电子有限公司。联合汽车电子有限公司是中联汽车电子有 限公司和德国博世公司在中国的合资企业，公司致力于研究、开发和生产具有世界 先进水平的、适合中国汽车工业发展需求的汽油发动机管理系统及其零部件。在该 公司的d v - e 5 电子节气门生产过程中，电阻基板的安装平行度误差是影响产品使用 性能与质量的关键因素。针对这个问题，本文进行了电子节气门电阻基板安装平行 度在线检测系统的研究与开发。 1 2 课题背景 1 2 1 电阻基板安装平行度对电子节气门性能的影响分析 节气门的作用是控制发动机的进气流量，决定发动机的运行工况。驾驶员通过 操作加速踏板来操纵节气门开度。 电子节气门的原理是通过油门踏板的位置变化输出一个反馈电压到发动机电 子管理模块( e c u ) ，根据发动机电控单元控制，快速精确地定位节气门。电子节 气门的优点在于能根据驾驶员的需求愿望以及整车行驶状况确定节气门的最佳开 度，保证车辆最佳的动力性、燃油经济性和排放控制，提高安全性和乘坐舒适性。 它克服了原先在机械油门时发动机控制系统只能对怠速和定速巡航进行控制的局 限性，转而成为对发动机全工况进行控制。由于节气门仅靠一个电机带动，驾驶员 踩加速踏板只是为控制系统提供踏板位置的信息，控制系统参考这个信号，并根 据各种工况的需求包括燃油经济性、排放等进行运算后，确定节气门的开度位置， 这样使动力匹配得以精确瞄。图1 1 为电子节气门的工作原理图。 电f 节门n 埏 图1 1电子节气门的工作原理 至皿目 一一一一一一 一一一一日一 上海大学硕士学位论文 b o s c h 公司生产的d v - e 5 电子节气门体分为3 部分：执行器、节气门片和节 气门位置传感器，它们一般被封装为一体。d v - e 5 的执行器由一个直流电机和相 关的传动部件组成。通过m o t o r + 和m o t o r - 驱动直流电机，t p s l 和t p s 2 分别是正 向和反向的节气门开度反馈信号，它通过节气门体内部的一对高精度电位器获取当 前开度下相应的电压反馈值。该反馈值与节气门打开角度成线性变化，t p s l 上分 得0 - 1 0 0 电压，对应节气门打开角度0 - 1 0 5 ，斜率为0 9 5 2 4 。 从产品使用性能的角度来讲，电子节气门电阻基板安装平行度直接影响了电压 反馈值与节气门打开角度之间的线性度关系，并对发动机电子控制单元的运算准确 性产生重要影响，对司机行车安全，驾驶舒适性以及燃油经济性都有重要意义3 1h 1 。 1 2 2 电子节气门的生产工艺 d v - e 5 电子节气门内部电阻基板与节气门壳体的内部装配关系如图1 2 所示。 电阻基板通过u v 胶被固定在节气门壳体内，壳体外圈边缘部分为电子节气f - j r 的 安装定位平面，同时它也是电阻基板安装平行度的基准参考平面，是一个重要的检 测要素。 图1 2 电阻基板与壳体的装配关系 d v - e 5 电子节气门的生产工艺如图1 3 所示，电阻基板的安装采用的是u v 固 化原理。u v 胶是指必须通过紫外线光照射才能固化的一类胶粘剂。由于不同u v 胶的硬度或弹性可以有很大的变化，不同的u v 胶收缩率也相差很大，普通u v 胶 收缩率达到6 - 8 。因此，整个电阻基板的安装流程中需要作2 次平行度检测，一 次在“点胶 工序之后，另一次在“u v 面照”与“加热固化 工序之后，以观察 2 上海大学硕上学位论文 u v 胶的收缩率对电阻基板安装平行度的影响，确保对产品的生产过程控制。 臣亚歪) 墅堕口二巫夏 _ 垂寸 图1 3d v - e 5 电子节气门生产工艺 从生产工艺的角度来看，电阻基板安装平行度检测是产品在生产过程中必不可 少的重要环节，也是联合汽车电子公司电子节气门产品质量的重要保证。因此，研 究开发一台高精度高效率，能满足自动化检测要求并且工作稳定的电阻基板安装平 行度检测系统是很有必要的工作。 1 3 形位误差检测技术研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外对形位误差的研究起步较早，对平行度形位误差检测技术的研究已有一百 多点历史。随着科学技术的发展与计算机的应用，形位误差检测技术开始向多学科、 多技术融合时代发展m 。对于形位误差评定理论及其数据处理的研究，欧洲、北美、 日本等工业发达国家和地区在理论研究和测量设备开发方面已经达到相当高的水 平，研究成果在各个国家生产制造的仪器和公开发表的文献中可以见证。 国外对形位公差的标准化工作是从2 0 世纪4 0 年代末和5 0 年代初开始的，5 0 年代末国际标准化组织i s o 提出了关于形位公差标注标准推荐草案。到了8 0 年 代末己形成了从图样标注到检测方案一系列系统的形位误差、公差方面的国际标 准。1 9 9 6 年6 月国际标准化组织将有关的公差与配合，形状和位置公差，表面粗 糙度等产品几何量公差方面的技术标准纳入新的技术委员会的工作范畴。全面负责 构建一个完整的新一代产品几何量技术规范与认证( d i m e n s i o n a lg e o m e t r i c a l p r o d u c ts p e c i f i c a t i o n 柚dv e r i f i c a t i o r i ，简称g p s ) 的国际标准体系引。 现代产品几何技术规范标准是一切几何产品精度设计与计量的基础，是国际间 3 上海大学硕二 ：学位论文 进行技术交流、相关评定以及国际贸易合同的主要依据p 。g p s 标准以计量数学 为基础，采用对偶原理形成集几何产品技术规范和计量认证为体的新一代g p s 标准体系，解决极限与配合、几何公差、表面特征与测量等领域的标准协调问题， 适应于自动检测、在线质量控制等领域，能够有效地促进产品精度设计制造检测 质量控制的一体化的实现。 国外在形位误差测量方面的研究，主要致力于高精度、高效率、万能性，符合 误差定义的量仪的研制上，如三坐标测量机、多坐标测量机等u “。美国北卡罗莱 纳州立大学的精密测量实验室专门从事坐标测量和表面测量的研究，该实验室有大 量的用于测量工件形状与位置误差的测量仪器1 2 3 。 1 3 2 国内研究现状 我国于1 9 7 5 年提出形位公差标准，此后不断修订并陆续制定了一些其它相关 标准，到了8 0 年代末，我国已经有了成套的形状和位置公差标准及形位误差检测 标准，其中绝大多数和i s o 相应标准一致或相似，这些标准的制定，无疑对国内 形位误差评定理论及检测技术起到推动作用n 引。9 0 年代在新一代g p s 标准体系的 背景下，我国的标准化基础研究者也从事了相应的研究并出台了一系列的新国标 1 5 j 。g b t1 1 8 2 采用十分准确而精练的方式表述了产品几何精度的要求。主征之一 是采用几何区域即所谓公差带来限制几何要素的形状、方向、位置误差1 6 1 。 g b l 9 5 8 2 0 0 4 对形状和位置误差的检测原则、检测条件、评定方法及检测方案等给 出规定m 。 目前国内许多高校和研究单位对形位误差的评定及检测已具有较高水平，特别 是在形状和位置误差检测与评定的理论及方法方面已走在世界前列，但在理论成果 向使用技术转化方面，尤其是应用于生产现场的检测设备的研究和开发方面，就综 合水平和整体实力方面还有较大差距。 就形位误差的检测技术而言，我国相关的研究成果并不多，涉及平行度误差在 线检测的产品很少。但是近年来，我国对平面度误差检测研究的相关单位较多，而 4 上海大学硕士学位论文 如何构造出平面度误差最小的基准平面是求解两平面平行度的关键步骤，因此通过 对这些单位与专家已取得的平面度检测技术成果的学习，是研究平行度误差在线检 测的基础。 合肥工业大学对形位误差的理论研究与检测技术研究较早也较深入，邓善熙， 倪骁骅 1 8 3 全面系统地研究了形状误差测量结果的不确定度的有关问题，详细分析 了用最小二乘法和最小包容区域法评定形状误差测量结果时的不确定度估计问题， 并研究了形状误差测早结果不确定度合成与扩展计算中存在的问题，对形位误差理 论的完善具有重要的科学意义。青岛科技大学，王安敏，田绪东 1 9 3 利用桥板和水 平仪联合测量的方法得到平面上各指定点的数据，并采用最小二乘法评定平面度误 差。齐齐哈尔大学，吴子敬，王世刚e 2 0 2 对两平面平行度误差评定方法进行了研究， 提出了一种基于最小二乘法和矩阵理论的平面度误差评定正交最小二乘法，丰富了 平行度误差评定方法。东北电力学院的高经伍，赵风华“提出一种由p s d l d 组 成的光一位置传感器测量两平面平行度，增加了平行度误差的检测手段。东风汽车 公司的李晓玉，陈启靓陇1 介绍了一种汽车阀板平行度现场快速测量方法，对平行度 误差在线检测系统开发提供思路。 1 4 课题研究目的及意义 本论文的研究目的是根据联合汽车电子有限公司的实际生产要求，研究开发一 种高效率，高精度，稳定性好的电子节气门电阻基板安装平行度检测系统。意义在 于通过开发平行度检测系统，完善国内汽车零部件行业的线检测技术，对提高汽车 零部件质量，整车行驶性能都有重要意义。 1 5 本人的主要研究内容 第一章，绪论，了解项目背景，根据项目的要求，分析该项目的研究目的和意 义，并对国内外的研究现状作具体的分析和描述，最后提出自己在本论文中所需完 成的任务。 第二章，根据相关国家标准确定平行度误差检测原则。经过比较与分析，确定 总体检测原理与方案。 5 上海大学硕二t = 学位论文 第三章，平行度公差基本理论与误差评定算法研究。通过对平面平行度误差评 定的基本理论研究，比较多种平行度误差评定数学模型、算法，确定最适合本论文 的评定方法与算法。 第四章，平行度检测系统的硬件设计。根据项目对检测系统的具体要求，确定 测量工作台结构，建立控制系统并对c c d 激光传感器进行选型。 第五章，系统的软件设计。内容包括上位机与激光传感器u s b 通信的实现：控 制程序的编写；平行度检测算法的实现，软件界面的设计以及数据库的建立。 第六章，检测系统的精度分析。对影响该系统精度和误差的各种可能性进行了 详细的研究并计算极限误差，通过实验验证系统重复性精度。 第七章，总结与展望。总结和进一步研究的展望 6 上海大学硕士学位论文 第二章检测原理与方案的确定 2 1 系统设计指标 巧) l ：i 图2 1 系统设计指标 电阻基板与节气门壳体的安装平行度公差如图2 1 所示，电阻基板表面上电阻 基体( 图2 1 左图画网格线部分) 所在的平面相对壳体基准面a 允许的最大误差为 0 1 5 m m ，电阻基体到基准面a 的距离尺寸为2 0 9 4 - o 1 6 m m 。按极限测量总误差允 许占给定公差值的2 0 计算，平行度检测系统设计精度为0 0 1 5 m m 。要求检测系 统占地面积小，结构简单紧凑，运行稳定，电阻基板上的电阻基体表面禁止接触。 2 2 平行度误差检测原则 根据g b t1 9 5 8 2 0 0 4 产品几何技术规范( g p s ) 形状和位置公差检测规定可 以得知，形位误差检测原则分5 种：与拟合要素比较原则、测量坐标值原则、测量 特征参数原则、测量跳动原则和控制实效边界原则。 “与拟合要素比较原则 是指将被测提取要素与其拟合要素相比较，量值由直 接法或间接法获得，拟合要素用模拟方法获得。 “测量坐标值原则是指测量被测提取要素的坐标值( 如直角坐标值、极坐标 值、圆柱面坐标值) ，并经过数据处理获得形位误差值。 “测量特征参数原则”是指测量被测提取要素上具有代表性的参数( 即特征 参数) 来表示形位误差值。典型例子是两点法测量圆度特征参数。 “测量跳动原则”是指被测提取要素绕基准轴线回转过程中，沿给点方向测量 7 上海大学硕士学位论文 其对某参考点或线的变动量，变动量是指指示计最大与最小示值之差。主要用于检 测跳动误差 “控制实效边界原则”是指检验被测提取要素是否超过实效边界，以判断合格 与否。主要应用于综合量规检验误差。 通过对上述5 种形位误差检测原则比较可以知道，“与拟合要素比较原则”与 “测量坐标值原则”更适用于两平面间平行度误差检测，因此下面作重点介绍。 2 3 平行度误差检测方法 2 3 1 基于“与拟合要素比较原则刀的检测方法 1 ) 平板指示法 将被测零件放置在平板上，在整个被测表面上按规定测量线进行测量。取指示 计的最大与最小示值之差作为该零件的平行度误差或者取各条测量线上任意给定l 长度内指示计的最大与最小示值之差作为该零件的平行度误差。测量方法如图2 2 所示： 图2 2 平板指示法 2 ) 水平仪法 将被测零件放置在平板上，用水平仪分别在平板和被测零件上的若干个方向上 记录水平仪示值4 ，4 。则各方向上平行度误差：广；h - a d t c 其中：c - 水平仪刻度值( 线值) 8 上海人学硕上学位论文 l 以一4 l 对应的每次示值差 i _ 一沿测量方向的零件表面长度 取各个方向上平行度误差中的最大值作为该零件的平行度误差。方法如图2 3 所示： 图2 3 水平仪法 3 ) 可调支承法 将被测零件调整至水平，分别在基准表面和被测表面沿长向分段测量。将读取 的水平仪示值记录在图表上，先由图解法或计算法确定基准的方位，然后求出被测 表面相对基准的最大距离l 一和最小距离l 。i n ，则平行度误差为：，= l 。一。i n 计算时要注意将角度值换算成线值。此方法是近似地按线对线处理，适用于狭长表 面，如图2 4 所示。 ? ， ， l _ i 、 9 上海大学硕士学位论文 一熙 图2 4 可调支承法 2 3 2 基于“测量坐标值原则 的检测方法 近几年来，坐标测量法成为自动化检测复杂几何误差的主要方法。在智能制造 系统中，加工测量一体化的概念不仅是精密工程的重要支柱，也成为加工测量集成 化的重要形式，几何误差的智能评定和智能判别是测量智能化的重要内容。下面将 对几种主要坐标测量法进行介绍。 1 ) 三坐标测量法 坐标测量法最有代表性的测量设备是三坐标测量机。它的理论基础是任何形状 都是由空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量，因此精确进 行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础2 2 1 。三坐标测量机的基本原理 是将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐 标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，经 过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据，广泛用于机床仪表工 业、汽车工业、电子工业、航空航天工业等部门2 引。这充分显示了它在测量方面 的品种规格的多样性以及所采用技术的先进性。三坐标测量机具有测量效率高、测 量精度高和适用范围广的特点，但是三坐标测量机的成本很高，对测量环境的要求 也非常严格，对振动，温度等因素较敏感，不适合作为自动化流水线上的在线检测 工具。 2 ) 双目体视法 双目体视法是一种新的三维坐标测量方法，所谓的双目体视法就是通过仿照人 的双目感知距离的方法来实现对物体三维坐标的测量，用两个或多个摄像机对同一 物体从不同的角度成像，进而从视差中计算出距离2 4 | 。双目体视成像几何模型如 1 0 上海犬学硕士学位论文 图2 5 所示。图中左右两相机是完全相同的，具有相同的焦距f 。两相机之间只存 在平移关系，因而其光轴也是平行的。由于在一个系统中只能有一个摄像机坐标系 作为参考坐标系，图中摄像机坐标系是以0 1 为圆心，两摄像机光心连线为x 轴， 光轴为z 轴的，假设两摄像机的距离为d 。 图2 5 双目体视法原理 图2 5 中，p 为目标点，也就是空间的某一物点；0 1 为摄像机1 的光心，0 2 为摄像机2 的光心：u 1 v 1 ，u 2 v 2 分别是摄像机1 ，2 的成像平面。p 通过光心 0 1 和光心0 2 在成像平面u 1 一v 1 和u 2 v 2 上的投影点分别为p 1 ，p 2 ，p 1 在成像 平面中的坐标为( u l ，v 1 ) ，p 2 在成像平面中的坐标为( u 2 ，v 2 ) 。( u o ，v o ) 为成像平面 的中心坐标。根据几何关系可以得到下关系式： u o ”铲争 仁， p = 丢k 峥叫 鼍；一尘堕 “2 一蹦1 k = 一云x i v l u ( 2 2 ) “2 一l 、”， z c ；一旦堕 “2 一“1 所以只要知道空间点p 在左右图像中的像点位置( 这对象点称为同名像点) ， 就可以确定空间点p 的在摄像机坐标系中的坐标x c 、y c 、z c ，然后根据摄像机坐标 x k 一乙!乙 皇 暑 一 一 k；|可 式两面 上由 上海大学硕：卜学位论文 系与世界坐标系之间的平移关系就可以计算出空间点p 的三维坐标例嘲，双目体 视法由于要从两幅图片中通过匹配找出两幅图像中的同名像点，而从两幅图像中去 找去这样的点，其计算量是相当大的，以目前的计算机技术要准确无误的找出这些 同名像点来还是比较困难的，因而这种测量方法的测量误差是比较大的，而且运算 速度很难达到平行度在线检测的节拍要求 3 ) 激光三角测量法 激光三角法是一种重要的距离测量方法k “。激光三角法位移测量的原理是利 用基本的三角几何学，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角 度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接 受散射或反射光线的角度也不同，用c c d 光电探测器测出光斑像的位置矧，就可 以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激 光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。 激光三角法的原理如图2 6 所示。 图2 6 激光三角法原理 激光三角法由于其具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简单、测 量距离大、抗干扰、测量点小、测量准确度高、可用于实时在线快速测量等特点，在 几何量测量领域中得到广泛的应用。在本课题中，如采用工作平台对激光在被测零 件上的采样点进行x 、y 方向定位，并通过激光三角法原理获取激光光点在被测零 件表面的z 向位移，就可以获得被测要素在直角坐标系中的三坐标值，通过平行度 1 2 上海人学硕士学位论文 误差评定算法与数据处理就可以计算出电阻基板相对壳体基准面的平行度误差。 比较几种坐标测量方法可以发现，在都满足检测精度的前提下，激光三角法检 测方案在成本与占地面积方面优于三坐标法，而在检测速度方面优于双目体视法， 其结构也较简单，比较符合在线检测系统的设计要求。综合比较下，决定采用激光 三角法检测方案。 2 4 激光三角法检测方案 2 4 1 激光三角法原理 在激光三角法中，由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，通过反射最 后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生 相应的位移。通过像移和实际位移之问的关系式，真实的物体位移可以由对像移的 检测和计算得到，其测量原理如图2 7 所示。 c c d 教光 会聚透镜 s b 图2 7 激光三角法测量光路图 其中，口是投影光轴与成像物镜光轴的夹角， 卢是光电探测器受光面与成像 物镜光轴的夹角。a 和b 分别是物距和像距。x 是传感器上的成像点的偏移，而x 为实际的物体表面的偏移。为了实现完美聚焦，光路设计必须满足斯凯普夫拉格条 件( s c h e i m p f l u gc o n d i t i o n ) 驯，成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线。 即 1 3 上海大学硕士学位论文 t a no 【= pt a n | b ( 2 3 ) 式中p 光点位于光轴时的接收物镜横向放大率； 口激光束光轴与接收物镜光轴之间的夹角； 卢c c d 光敏面与接收物镜光轴之间的夹角。 此时投影光束光轴与c c d 之间成物象共扼关系，一定景深范围内的被测点都 能正焦成像在c c d 上，从而保证了精确度。 若光点的像在c c d 光敏面上移动了x ，利用a a b o 和a a b 0 对角相等的 关系，可推导出被测要素沿法线方向移动的距离驯： n x is i n8 一丙s i 忑nj 焉s i 而n ( 2 4 da 一工 ia + l 又可以写为： x a x2两(2-5)b z 其中： 彳= 嵩 ， b = 揣为三角测量系统的固定参数。当物 体偏移x 较小时，式( 2 4 ) 可以近似为线性关系： x as i n8 戈2 丐蔷( 2 - 6 ) s i nd口 激光三角法的另一项重要的参数为线性度，就是三角测量法输入和输出关系 的线性近似程度。可以证明在三角测量中，可以通过缩小测量范围，增大接收透镜 的共轭矩，增大三角测量系统的角度，缩小接收透镜的放大倍率，达到线性测量的 结果。此外，由式( 2 - 4 ) 对x 求导，得到输入输出曲线的斜率，即激光三角法的放大 倍率p ： a xb as i n0 cs i n8 p2i 2两ii面前(2-7)ax bs i ns i n a f a + 口1 1 2 系统的放大倍率决定了系统的分辨率，而放大倍率不但取决于系统参数，还是 像移d 的函数。根据激光入射角度的不同，可以把激光三角法分为垂直入射法和 1 4 2 4 2 光路的比较与选择 1 ) 垂直入射法 2 8 杂瑚蛐慨糖嘲嗡瓶揿蝴赢图 囊 尢 o 1 5 上海人学硕士学位论文 日d = 面p 蒜s i n 等p 将ns 警i n 而0 p 9 ， q p + ( 口+1 。7 式中： h o 物点的高度信息5 p n h 点在c c d 成像平面的成像点与成像基准点p 的偏移量； o q o 点成像物距； q p o 点成像像距。 2 ) 斜入射法 斜入射激光三角法是指入射光线与参考平面的法线成一定的夹角，斜入射激光 三角法的光路图如图2 9 所示。 o 。o 图2 9 斜射法光路图 图中入射光线h o 与透镜光轴o q 垂直，与参考平面的夹角为o ，透镜光轴 o q 与c c d 成像平面的夹角为q 。由图2 9 ，根据三角相似原理，可以得到以下关 系式： ho 、| s 、neoq 两万面。西i百ii(2-aon s i nppn c os ) p口 d +口 7 由公式( 2 1 0 ) 可以得到： = 乏筹熹n 羔os 岩 p 埘 qp+p c 口 r 一7 1 6 上海大学硕上学位论文 从而求得h 点的高度信息。 式中： h o 物点的高度信息； p n h 点在c c d 成像平面的成像点与成像基准点p 的偏移量； o q 0 点成像物距； q p 一0 点成像像距。 3 ) 垂直入射法和斜入射法的优缺点 上面主要分析了两种方法的光路图，通过光路图得到了两种入射方式的三角关 系式( 2 9 ) 和式( 2 1 1 ) 3 ，对这两个三角关系式进行分析就可以看出这两种方法各自 的优缺点，在测量过程中可以根据测量条件的不同可以采用不同的入射方法。由公 式( 2