（机械设计及理论专业论文）珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究.pdf

l a nz h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rg o n gj u nl e c t u r e rn i n gh u i f e n g m a y 2 0 1 1 广 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担 作者签名 专家炀诗日期 少 j 年占月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和借阅 本人授权兰州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 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密面 请在以上相应方框内打 日期 如 f 年6 月5 日 醐 抄 年歹月矿 m 反夕t l 幻q 硕士学位论文 目录 目录 i 摘j 墓 i a b s t r a c t i i 插图索引 i i i 附表索引 i v 第1 章绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题研究的目的和意义 2 1 3 珩磨工件内表面形状判定的国内外研究现状 4 1 3 1 关于珩磨工件内表面形状判定方面 4 1 3 2 关于三坐标测量方面研究现状 4 1 3 3 关于未知曲面形状判定的研究现状 5 1 3 4 关于圆柱误差评价方面的研究现状 6 1 4 课题来源及主要研究内容 7 1 4 1 课题来源 7 1 4 2 课题研究的主要内容 8 第2 章珩磨工件内表面形状快速判定的基础 9 2 1 珩磨加工的原理 9 2 2 非接触式气动测量的选择 1 0 2 2 1 非接触气动测量 1 0 2 2 2 背压式气动测量 1 1 2 2 3 差压式气动测量 1 2 2 3 基于非接触气动测量的珩磨头设计参数研究 1 4 2 3 1 测量间隙数x 1 4 2 3 2 喷嘴单边下沉量c 1 5 2 3 3 护板与珩磨工件内表面间隙值s 1 5 2 4 建立机床测量坐标系 1 5 2 4 1 建立工件测量坐标系 1 5 2 4 2 建立机床测量坐标系 1 6 2 5 本章小结 17 第3 章珩磨工艺缺陷分析及内表面形状判定方法 1 8 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 3 1 珩磨加工过程中出现工艺缺陷的分析 1 8 3 1 1 通过油石伸出量分析 1 8 3 1 2 通过珩磨时的越程量分析 2 0 3 2 三截面测量方法的研究 2 0 3 2 1 测量点位置的确定 2 1 3 2 2 三截面测量方法 2 2 3 3 珩磨过程中自适应控制 2 3 3 4 本章小结 2 4 第4 章三截面法判定工件内表面形状的仿真 2 5 4 1 引言 2 5 4 2 仿真的前期准备 2 5 4 2 1 气动测量数据采集 2 5 4 2 2 获取间隙值 2 6 4 2 3 判定工件内表面形状 一2 7 4 3 仿真程序及算法验证 2 8 4 3 1 运行环境 2 8 4 3 2 输入相关参数 2 8 4 3 3 程序及工件参数的输入验证 2 9 4 4 验证结果 3 5 第5 章粗珩加工后中内孔圆柱度的评价 3 7 5 1 引 言 3 7 5 2 直角坐标系下圆柱度误差截面法测量模型 3 7 5 3 最d x 乘法的数学模型 一3 8 5 3 1 最小二乘法拟合圆 3 9 5 3 2 最小二乘法拟合直线 4 1 5 3 3 最小二乘法拟合圆柱 4 2 5 4 极坐标和直角坐标转换 4 3 5 5 计算实例 4 3 5 5 1 选择测量截面 4 4 5 5 2 工件内表面圆度 同轴度计算 4 4 5 5 3 内表面直线度计算 4 8 5 5 4 内表面圆柱度计算 4 9 5 6 本章小结 4 9 第6 章结论 5 0 参考文献 5 1 致 i 射 5 5 附录a 攻读硕士研究生期间发表的论文 5 6 h i 硕士学位论文 摘要 珩磨是磨削加工的一种特殊形式 又是精加工中的一种高效加工方法 这种 工艺不仅能去除较大的加工余量 而且是一种提高零件尺寸精度 几何形状精度 和表面粗糙度的有效加工方法 把非接触式气动测量技术引入到内孔珩磨孔径尺 寸的在线测量中 通过内孔珩磨孔径尺寸变化反馈到控制系统用于后续分析及控 制珩磨加工 从而有助于提高珩磨机床的加工精度 由于在珩磨加工工艺方面存在不足 在加工过程中 工件会出现不同的工艺 缺陷 判断工艺缺陷的类型 对珩磨的后续加工起到指导作用 针对以上的工艺 缺陷 采用非接触的气动测量进行数据采集 处理 完成珩磨工件内表面的形状 判定 本文做了以下两个方面的研究 1 选择非接触式气动测量 并对基于非接触气动测量的珩磨头设计参数进 行研究 建立机床测量坐标系 提出了一种适合珩磨在线测量的建立坐标系的方 法 通过分析珩磨过程中的工艺缺陷的原因 针对不同类型的缺陷 提出了一种 判定方法 即三截面测量判定方法 并提出了其数学模型算法 为了验证该算法 的有效性 使用j a v a 编制仿真程序 进行了三截面法判定工件内表面形状判定 的仿真 2 对珩磨工件内表面进行圆柱度的评价 针对直角坐标系下圆柱度误差评 价模型的建立展开了详细的研究 圆柱度误差面前还只能用近似方法测量 借助 圆度误差和直线度误差的数据方法进行处理 采用最小二乘法的模型 通过建立 了直角坐标系下圆度误差 直线度误差评价工件内表面的圆柱度 关键词 珩磨气动测量形状判定 a bs t r a c t h o n i n gg r i n d i n g i sak i n do fs p e c i a lf o r m i so n e o ft h eh i g hp r e c i s i o np r o c e s s m g m e t h o d t h i sp r o c e s s i sn o to n l yc a np u r i f y l a r g e rm a c h i n i n ga l l o w 眦 锄 1 啪 k i n do fi m p r o v i n gp a r t ss i z ep r e c i s i o n g e o m e t r yp r e c i s i o n a n ds l l r f a c er o u h n e s e f f e c t i v ep r o c e s s i n gm e t h o d t h en n c o n t a c tp n e u m a t i c m e a s u r e m e n t t c c h n o l 詈了l s i n t r o d u c e di n t 0 t h ei n n e rh o l ed i a m e t e r s i z eo n l i n em e a s u r e m e n t o fn a n g l 1 n g t h r o u 曲i n n e r h o l ed i 锄e t e rs i z ec h a n g e f e e d b a c kt on a n 西i n gc o n t r o l s y s t e m f o r f u n h e ra n a l y s i sa n d c o n t r o l t h u sh e l pi m p r o v e t h em a c h i n i n gh o n l n gh o n l n g m a c h i n e sf o rp r o c e s s i n gp r e c i s i o n b e c a u s et h eh o n i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i sd e f i c i e n t i nt h em a c h l n l n gp r o c e s s w o r k p i e c ew i l la p p e a rd i f f e r e n tp r o c e s sd e f e c t j u d g m e n t o ft h et y p eo fp r o c e s s d e f c c t t h es u b s e q u e n tp r o c e s so fh o n i n gl a m i l l o y i n v i e wo ft h ea b o v ep r o e s s d e f e c t u s e c o n t a c t i e s sp n e u m a t i c m e a s u r e m e n td a t a a c q u i s i n 油 p 8 8 1 n c o m p l e t eh o n i n gt h ei n n e rs u r f a c eo f w o r k p i e c es h a p ej u d g e m e n t t h i sp a p e r m a d e t h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t so f r e s e a r c h 1 c h o o s ec o n t a c t l e s sp n e 眦a t i cm e a s u r e m e n t a n d b a s e do nt h em e a s u r e m e n t 0 t n o n c o n t a c tp n e u m a t i c h e a dd e s i g np a r a m e t e r so fn a n g j i n g e s t a b l i s hm a c h l n e t o o 1 s m e a s u r i n gs y s t e m w a sp r o p o s e df o rh o n i n gt h e e s 协1 i 8 1 1 雠m 耐m m m m e a s u r e m e n tm e t h o d s c o o r d i n a t et h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h et e c h n o l o g y o t n a n g ji n gp r o c e s sd e f e c t a c c o r d i n g t od i f f e r e n tt y p e so fr e a s o n t h i sp a p e r p u s f o r w a r dak i n do fd e f e c t sju d g e m e t h o d n a m e l yt h r e es e c t i o nm e a s u r i n g d e t e r m i n a n t m e t h o d a n dp u t sf o r w a r di t sm a t h e m a t i c a lm o d e la l g o r i t h m i n o r d e rt ov e r i f yt n e e f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m u s ej a v a c o m p i l i n gs i m u l a t i o np r o g r 锄w l t h l n t n r e e s e c t i nm e t h o dw o r k p i e c e s u r f a c es h a p ej u d g e j u d g es i m u l a t i o m 2 t h es u r f a c eo fw o r k p i e e eh o n i n g w i t h i nt h ec y l i n d r i c i t y e v a l u a t l o nl n c a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e m u n d e rt h ec y l i n d r i e i t y e r r o re v a l u a t i o nm o d e lo tt n e l a u n c h e dad e t a i l e dr c s e a r c h b e f o r et h ec y l i n d r i c i t y e r r o rw i t ha p p r o x i m a t em e t h d b yu s i n gl e a s ts q u a r em e t h o d t h r o u g ht h em o d e l e s t a b l i s h e dt h er o u n d n e s se i t o c a r t e s i a nc o o f d i n a t es y s t e m 也es t r a i g h t n e s s e r r o re v a l u a t i o nt h ei n n e rs u n a c eo l w o r k p i e c ec y l i n d r i c i t y k e y w o r d s h o n i n g p n e v l m a t i cm e a s d r e m e n t d e t e r i n i n e t h es h a p e 硕士学位论文 插图索引 图1 1 工艺缺陷图 1 图1 22 m b 2 2 1 0 x 2 0 c 数控珩磨机 3 图2 1 双进给气动测量珩磨头结构示意图 9 图2 2 气动线路图 一1 l 图2 3 背压式气动测量原理图 1 1 图2 4 差压式气动测量原理图 1 2 图2 5 差压间隙特征曲线 13 图2 6 非接触式气动测量系统 1 3 图2 7 珩磨加工气动测量图 一1 4 图3 1 珩磨网纹结构 1 8 图3 2 珩磨成型原理 1 9 图3 3 测量点位置示意图 2 1 图3 4 可编程控制珩磨系统框图 2 3 图3 5 珩磨闭环控制方框图 2 4 图4 1 珩磨在线测量系统工作原理图 2 6 图4 2 间隙值说明示意图 一2 7 图4 3 三点判定示意图 2 7 图4 4 直径值比较结果 3 2 图4 5 间隙值比较结果 3 5 图5 1 直角坐标系下圆柱度截面法模型 3 8 图5 2 最小二乘圆评定圆度误差 3 9 图5 3 直线度评价模型 4 2 图5 4 被测圆柱面及其理想轴线 4 2 图5 5 截面s l 最小二乘法拟合结果 4 5 图5 6 截面s 2 最小二乘法拟合结果 4 6 图5 7 截面s 3 最小二乘法拟合结果 一4 7 图5 8 截面s 4 最小二乘法拟合结果 4 7 图5 9 截面s 5 最小二乘法拟合结果 4 8 图5 1 0 截面圆心点拟合结果 4 9 i l l i v v 厂 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 在珩磨机的技术水平方面 目前 国内在发动机汽缸套 汽缸体以及工程机 械液压系统等制造业中 普遍采用珩磨加工技术 但主要依赖于进口高精度珩磨 机进行最后一道工序的高精度珩磨 国产珩磨机无论在加工精度 制造水平 还 是控制方式等方面 与国外珩磨机相比 存在很大差距 整体珩磨工艺技术水平 较低 国内对珩磨加工技术的研究 仍然局限于对珩磨头制作以及砂条选材研究 等较低层次 另外 国内对珩磨工艺参数的研究几乎是空白 对珩磨加工要求控 制的参数也仅有粗糙度r a r z t p s k 等少数几组 根本无法满足现代工业 尤 其是快速发展的汽车工业的技术要求 珩磨的自适应控制技术在珩磨过程显得尤 为重要 通过建立控制系统专家数据库 对已知和可能的工况做出不同的控制预 案 珩磨时人为或自动地选择相应的预案 满足珩磨的工艺要求 通过对控制模 型的建立与控制过程中主要参数的跟踪比较 实时地调整模型以及控制参数 从 而可以提高珩磨的生产效率和品质 珩磨技术发展 将继续朝着智能化和在线测 量方向发展 珩磨是磨削加工的一种特殊形式 又是精加工中的一种高效加工方法 这种 工艺不仅能去除较大的加工余量 而且是一种提高零件尺寸精度 几何形状精度 和表面粗糙度的有效加工方法 珩磨是一种以被加工面作为导向定位面 在一定 进给压力下 通过油石和零件的相对运动去除余量的精密加工工艺 l j 通常采 用磨粒粘结在一起的磨具与工件表面面接触 进行相对的旋转 往复运动或其它 自由度运动 籍两者相互修正作用 以提高工件尺寸精度 几何形状精度和表面 质量的磨削方法 通蔗裂 1 j 上小t4 腰形鼓形 图1 1 工艺缺陷图 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 由于在珩磨加工工艺方面存在不足 在加工过程中 工件会出现不同的工艺 陷 如珩磨油石在孔上下端的越程过大 会出现喇叭口 越程过小 则出现鼓 上下越程不一致 出现一端大 一端小 如图1 1 所示 上小 下小 腰形 形即为珩磨加工中易产生的工艺缺陷f 2 1 2 课题研究的i f l 的和意义 珩磨与其它切削加工相比 具有许多独到之处 珩磨加工逐渐被人们所认识 着珩磨工艺 珩磨机床的发展 珩磨加工在机械加工的各行业中得到越来越广 的运用 如 汽车 拖拉机 摩托车 内燃机车 船舶 航空 空压机 风动 具 锻压机械 压塑机械 工程机械 缝纫机 机床 液压元件 制冷设备 医疗器械 轴承 矿山机械 军工等 如 1 发动机行业采用珩磨加工缸孔 具有较高的生产效率 如大河机床厂 生产的半自动珩磨机床 磨削s 1 9 5 缸套 在2 0 秒钟可以去除o 15 m m 的余量 采用自动测量后 机床可以实现全自动循环 生产率达到8 0 1 0 0 件 小时 珩磨 内表面可以获得理想的网纹角和表面质量 2 轴承行业使用珩磨加工轴承内外环的圆滚道 由条状油石作进给和摆 动运动 工件旋转 新工艺代替磨削和抛光加工作最终工序 滚道直径的圆度由 磨削的1 2 5 9 i n 提高到o 6 3 i t m 曲线r 差别不超过0 5 1 t i n 表面粗糙度达到 0 0 2 5 m m 轴承精度的提高 减少了摩擦及噪音 3 机床等行业采用珩磨加工箱体孔 尾座孔 发动机曲轴孔等零件 在 一些较长的间断孔上采用长珩磨头可以获得高的形状及尺寸精度 保证间断孔的 直线度及同轴度 使产品的性能大大提高 减轻了工人劳动强度 防止了废品的 发生 4 液压件行业采用珩磨作为阀体孔 油缸孔的最终加工 可以比较经济 的获得较高的形状精度 表面粗糙度和尺寸精度 减少运动摩擦力及内泄漏 使 液压元件动作灵敏 可靠 性能大大改善 5 医疗器械行业采用外球面珩磨机床珩磨加工人造股骨的髓关节球部 使珩磨加工的产品直接在人体上收到良好效果 扩大了珩磨的范围 由此可见珩磨已经成为发动机缸套 汽缸体孔以及工程机械中重要的液压缸 等精密偶件孔加工必不可少的工艺技术 珩磨工艺质量直接影响汽缸套 汽缸体 液压缸等关键基础件的使用寿命 决定了发动机的大修时间 油耗和尾气排放以 及液压系统的稳定性与可靠性 2 1 2 硕士学位论文 图1 22 m b 2 2 1 0 2 0 c 数控珩厝机 研究珩磨工件内表面形状判定意义重大 对后续珩磨加工过程起到 指挥 的作用 目前高档数控珩磨机普遍采用单次测量 区域珩磨工艺 即在预先测量的 基础上对工件的某一段先单独珩磨 区域珩磨 待工件形状统一后再全程珩磨 目前采用的区域珩磨进行锥度修正 采用气动测量方式 在被加工表面沿母线方 向均匀选择三点 即母线对称测量 在出现误差的部分进行修正 这种方式存在 的问题 准确性不高 不能精确反映工件内表面的形状 导致加工精度不高等问 题 3 1 本课题组提出了一种新的想法 即全行程随动珩磨 以最快速度完成测量 判定 修珩 拉网纹等工序 无论是短行程的区域珩磨还是进行全行程的随动珩磨 珩磨前对工件内表面 形状的研究成了必须的工作 对珩磨工件内表面形状快速判定及对修珩后进行圆 柱度误差评定是必要的 通过对工件内表面三点测量 实现工件内表面快速判定 为后续加工做出决策提供准确依据 修珩后 精珩前圆柱度进行评定 检验工件 是否达到标准 研究的目标 1 通过工件内表面的宏观形状判定可得到工件内表面的形状进而对后面 的珩磨加工起到指挥作用 珩磨前必须进行此项工作 2 工件内表面宏观形状判定要快速 就是让判定形状所用时间短 只有 3 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 快速的反映出工件内表面形状 才能及时的对后续加工进行指导 若不能快速地 反映工件形状 则不能及时地指导后续加工 3 圆柱度进行评定分析是修珩后精珩前得工作 也是重要的工作 必须 对修珩后工件内表面形状进行误差分析才能判断工件是否合格 1 3 珩磨工件内表面形状判定的国内外研究现状 1 3 1 关于珩磨工件内表面形状判定方面 珩磨工件内表面形状判 目前国内没有这方面的报道 国外以德国格林公司 的圆柱形状自动修正装置的数控珩磨机为例 它就是在珩磨加工中不断测量工件 a b c 三点 并自动统计比较a b b c a c 的数值 当零件尺寸或锥度误 差超出系统控制范围时 能发出讯号反馈控制进给量及行程位置 同时采用基准 环d 补偿温度变化的影响 自动控制系统还可以将最终检验结果自动打印 自 动统计 零件分类 并能通知下一序机床控制其生产配偶件的尺寸 珩磨工件内表面形状判 国外的这种方法只有简单介绍 引 没有深入的研究 也没有详细的资料可供参考 1 3 2 关于三坐标测量方面研究现状 对于内表面形状判定 首先要知道其内表面的数据 进行数据采集 测量数 据的方法很多 基于本课题 要求是一种精确测量 三坐标测量的一些研究方法 对本课题测量具有指导意义 1 张丽艳提出了人工规划的三坐标测量方法 先对c a d 模型未知的被 测物体进行测点规划 在此基础上进行数据测量和模型重建 研究了逆向工程中 截面测量数据的b 样条曲面拟合问题 结合二分法和最小二乘法 提出并实现 了截面数据的b 样条曲面拟合算法 该算法在满足指定精度的条件下 对测量 数据有较大的压缩率 她还提出了根据点触发式坐标测量机的特点 首先提出了 坐标数据测量的布点规划原则 包括考虑被测物体的对称性 分区测量的规划以 及测量数据的充分性和必要性原则 在此基础上 给出了基于人工规划的测量数 据模型重建方法 4 2 华中科技大学的王平江 郑小年 梁松俭等 提出了准等弧长测点预 测法 5 3 平雪良提出了无c a d 模型曲面的灰色理论预测模型的三坐标测量方 法 初始化数据测量和实时在线灰色预测自动生成测量路径 但不适合快速加工 的珩磨环境的测量f 6 j 4 王春提出了通过找出工件表面与测杆球端接点处的 近似切线 r 7 1 5 江南大学机械工程学院的周保珍 平雪良 龚玉玲等 提出了工件坐 4 硕士学位论文 标系的建立 测量路径的规划 测点的分布 8 1 3 3 关于未知曲面形状判定的研究现状 1 上海交通大学机械工程学院的来新民 提出了根据质心概念推导出基 于形状的采样算法 此种方法可以确定在给定采用精度下的合理采样点数 从而 实现自由曲面数字化采样的自适应规划 在曲面数字化方面 提出基于曲面曲率 和被测点切线斜率的自适应采样规划 在曲面重构方面 提出基于曲面曲率的数 据点自适应压缩方法 以实现对散乱点的n u r b s 曲面重构 针对数学模型已知 的自由曲面 依据质心定理推导出基于形状的采样算法 提出在给定采样精度下 的自适应采样方法 针对数学模型未知的自由曲面 引入平面数字化曲线有界性 概念 建立测量参数与采样步长的内在联系 提出了基于曲率和曲面切线斜率的 自适应规划方法 9 以1 1 2 吴恩启 柯映林 李江雄 为了实现长 细管道内表面三维形貌检测 基于光学三角原理研制了一种新型检测器 通过引入该检测器的工作原理 推导 了位置传感器 p s d 敏感面上光点位置与被测管道内表面上对应光点位置之间关 系的模型 按照使检测器长度最短的原则 设计了该检测器的光路 研究了系统 结构误差消除方法 采用激光信号调制方法 设计了克服p s d 暗电流影响的信 号采集电路和信号处理方法 结果表明 该检测器长为3 7 5m m 直径为7m m 重量为4g 并能够实现内径为9 5 1 0 5m m 长距离微细管孔的内表面检测 检 测误差在士0 1m m 以内 1 2 3 吴恩启 柯映林介绍了一种适于空间曲线型微细管孔内表面三维重建 的系统 该系统主要由管道机器人 形貌检测器和曲率检测器等部分组成 形貌 检测器在管道机器人的带动下潜入管孔内部进行内壁截面图像采集 曲率检测器 负责测量管孔中心轴线在检测器采样位置处的局部几何性质 对管道内壁截面图 像进行适当的处理 结合形貌传感器的标定参数和结构参数 可以计算出在检测 器局部坐标系下的管道截面三维轮廓 同时 根据传感器采样位置处的管道中轴 线局部几何性质 管道机器人的前进步长 建立局部坐标系与全局坐标系的关系 从而将被测全部截面的局部坐标转化为全局坐标 实现管道内表面的三维重建 实验结果表明 利用该技术检测的管道内表面三维形貌与实际情况是一致的 1 3 1 4 o 4 施法中探索出一种符合工程技术人员思维方式的基于二维视图的三维 重建方法 并在商品化软件s o l i d2 0 0 0 中作为一个模块实现解决了三维重建中 d w g 文件的数据转换 视图分离及视图的b o x 显示 特征生成 重建结果验 证 曲线拟合等问题该模块以交互和自动结合的方式进行 设计完整实用 充分 利用了二维视图信息 提高了三维建模的速度 1 5 5 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 5 k a mc l 提出了几何分解方法实现曲面形状检测的思想 采用 曲 面 曲线 点集 测点集的分解次序 实现从曲面到测点集的分解和曲面 的评价工作 1 6 6 c h e nl c 提出了视频图像辅助的测量方法 这是一种结合预测手 段的对未知c a d 模型曲面的自动测量方法 免去对整个曲面进行测量路径规划 可快速准确的测量自由曲面上的数据 l 7 1 国内外的基于三坐标的静态测量以及曲面造型方面的研究已经有了一定的 基础 但其都是静态的测量 是否适合条珩磨工件内表面形状的快速判定 有待 进一步研究 在静态测量的研究成果基础上 结合珩磨加工气动测量 最终得出 工件内表面形状 1 3 4 关于圆柱误差评价方面的研究现状 国内的研究现状 1 熊有伦提出了利用极差极小化方法评价圆柱度误差的统一判别准则 建立基于小误差假设与小偏差假设理论的数学模型 i 引 2 雷贤卿提出了一种可分离截面圆度误差截面半径差和截面最小二乘圆 心初始位置并重构出被测圆柱形貌的三点法圆柱度误差分离与重构技术 1 9 1 3 岳晓斌提出一种深孔多参数高效测量新方法 利用超声波测量零件壁 厚 然后通过计算对深孔的直径 圆度 同轴度和直线度进行综合评定 介绍了 该方法的测量原理和步骤 并给出了计算实例 2 0 1 4 林志熙建立了采样点均匀分布情况下 圆度误差测量采样点数量与测 量极限误差之间的定量关系数学模型 根据所得数学模型 对测量坐标值原则下 给定圆度误差检测对象的采样点进行规划 求得具有最少采样点的测量方法 并 给出了测量实例 对数学模型进行了验证1 2 5 曾新勇详细介绍了基于计算机的最小包容区域法的模型和处理步骤 所编程序经大量测试表明 这种方法简单 可靠 计算机处理速度快 适用于各 类相关的场合 2 2 1 6 贝广霞为了保证零件加工精度和提高生产率 在数控加工中心中采用 触发式零件检测测头对被加工件的圆柱面进行在机检测 并利用数据读取程序从 数控系统内部提取被检测点坐标信息 在计算机内部完成圆柱度误差的计算 克 服了零件检测测头自带宏程序无法对圆柱等被测特征进行误差运算的局限性 并 且检测数据存储于计算机内 不再受数控系统内存小及运算速度慢的限制 该在 机检测圆柱度方法在数控镗铣床d p h 5 0 上进行了验证并与三坐标测量机的检测 结果进行对比 验证结果良好 已经应用于某研究所关键零件的圆柱度误差检测 中 2 3 1 6 硕士学位论文 7 张娇娜建立了圆柱度误差评价的最小区域法 最小二乘法 最小外接 圆柱法和最大内接圆柱法的数学模型 将一种含收敛因子的粒子群优化算法应用 于圆柱度误差的目标函数的优化问题 通过实例的分析与计算 比较了各种模型 的计算精度 2 4 1 8 刘军提出了一种基于压力式气动测量原理的滑阀阀套内孔圆柱度误差 测量方法 建立了基于该方法的自动测量系统 在分析滑阀阀套内孔圆柱度误差 的气动喷嘴扫描测量原理及测量采集点的特点基础上 研究了基于改进遗传算法 的极坐标下最小区域圆柱度误差的评定与计算方法 并进行了实验研究 实验和 分析结果表明 该测量方法和系统具有分辨率高和测量精度高的特点 圆柱度误 差评定算法的计算效率高 结果稳定可靠 能够满足滑阀阀套内孔圆柱度误差现 场自动化测量的要求 2 5 1 对于圆柱度误差评价的探讨国内还有一些学者也展开了更深入地研究工作 并制定了一些相关的标准 2 6 扔 9 r o yu 利用计算几何方法进行直角坐标系下圆柱度误差的二维和三维 评价并对模型进行了分析 3 6 1 1 0 h o d g s o n l it j 提出一种组合数学方法来解决圆柱度误差的评价问题 方法具有自包容性并且具有较高的精度 3 7 1 1 1 c h o us y 建立了增补法调整中心轴线的直角坐标系下倾斜圆柱度误 差的评价模型通过不同的参照圆柱体得到了全局最优化模型的捉迷藏算法 3 引 1 2 l a ih y 等建立了圆柱度误差的基因算法g a s 模型利用基因算法有效 地改善了评价精度与评价效率的问题 3 9 1 还有国外部分学者也对此展开了详细的研究并取得了较好的研究成果 4 0 4 8 1 1 4 课题来源及主要研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于基金项目 高档数控机床与基础制造装备科技重大专项 项目 编号 2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 1 8 1 针对发动机缸体及汽缸体的精密 高效加工需求 研制开发一种满足生产需 要 性能指标达到国际先进水平的高档数控珩磨机 其中最重要的一点就是要求 加工精度高 加工时间短 为了满足该机床加工加工时间短 要对形状判定速度 快 同时满足该机床加工加工精度高 加工的缸体内表面符合形状精度 珩磨的 尺寸精度 0 0 0 4 m m 形状精度 圆度 o 0 0 2 r a m 圆柱度 0 0 0 8 m m 尺寸一 致度 0 0 0 1 m m 粗珩后时要对工件内表面进行圆柱度的评价 进而保证其加工 7 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 精度要求 1 4 2 课题研究的主要内容 针对上述课题的问题 本文做了一下几个方面的研究 1 对工件内表面形状快速判定的前期准备工作进行研究 选择非接触式气 动测量 应用到珩磨加工中 并对基于非接触气动测量的珩磨头设计参数进行研 究 建立机床测量坐标系 找到一种适合珩磨在线加工测量的建立坐标系的方法 对珩磨工艺进行研究 分析珩磨加工过程中出现形状缺陷的原因 2 针对珩磨工艺缺陷 找出一种判断缺陷类型的的方法 对该数学模型设计 相应的算法 为了验证该算法的有效性 使用计算机语言编制仿真程序 进行了 三截面法判定工件内表面形状判定的仿真 输入工件直径和间隙值 比较间隙值 判定和直径判定的不同结果 3 针对直角坐标系下圆柱度误差评价模型的建立进行研究 圆柱度误差面前 还只能用近似方法测量 借助圆度误差和直线度误差的数据方法进行处理 采用 最小二乘法的模型 通过建立了直角坐标系下圆度误差 直线度误差评价工件内 表面的圆柱度 序 2 粗珩磨时可以使工件尺寸精度达到设计要求 3 精珩磨时不再改变工件内表面尺寸精度 主要对工件内表面进行拉网纹工 67 89 图2 1 双进给气动测量珩磨头结构示意图 1 大顶杆2 一小顶杆3 一大锥体4 一小锥体5 一喷嘴 6 一护板7 一粗珩油石8 一精珩油石9 一油石座 9 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 双进给珩磨头 可保证工件一次安装后完成粗 精两道珩磨工序 我们选择 进给珩磨加工方式 2 非接触式气动测量的选择 把非接触式气动测量技术引入到内孔珩磨孔径尺寸的在线测量中 通过气电 换模块实时地将内孔珩磨孔径尺寸变化转换为电信号 再将该信号处理后提供 显示和控制系统用于后续分析及控制 从而有助于数控内孔珩磨机床高精度加 的闭环控制 机床珩磨过程对工件尺寸的控制由过去的间接用珩磨时间人为控制发展到 动测量 直接控制工件的尺寸 各种机械 气动 电气的检测方法应运而生 从发展规律来看 气动 电子的方式有很大的发展 测量精度也不断提高 珩磨加工中尺寸自动在线测量方式为非接触的气动测量 气动测头上测量喷 嘴座在同一母线上的护板 是用于保护测头不受磨损 及保证双喷嘴气动测量中 任意一个喷嘴的单边下沉量都必须大于 护板材料用硬度高 耐磨性好的硬质合 金 由于受到量仪性能 工件留磨量等因素的制约 以及务必满足衍磨测量头能 顺利进人工件内孔的要求 护板包络圆直径 单边下沉量等结构参数的取值就必 须综合考虑 经协调后确定常用的压力型气动量仪 如上面的高压薄膜式量仪 其零位间隙一般在左右 则喷嘴的单边下沉量取 此时护板与内孔之间将保持所 需的间隙 2 2 1 非接触气动测量 气动测量是利用压缩空气的流量特性 把被测的尺寸变化量转换为空气物理 参数的变化来实现测量 4 9 1 工件被测参数变化量经气动量仪的测量喷嘴变换为 气体参数变化量 通过量仪放大后 送指示装置显示 以一张简单的的气动线路图 如图从气源调节开始到线路末端的喷嘴结束 中间是用户可以用来关闭气流的节流阀 当喷嘴没有阻挡和通向大气时 气流自 由地流经系统此时内部压力为最小 现在把一块挡板贴近喷嘴端部 挡板靠得较 近时 它就开始阻挡喷嘴出口的气流 从而流经系统的流速降低 内部压力增加 当挡板平盖在喷嘴上并完全停止气体流动时 在喷嘴和节流阀之间的压力升高直 至达到与调节气源相同的压力 流经系统的空气流量或系统中的背压都可用来测量喷嘴和工件之间的距离 喷嘴到工件的距离越近 背压越大 空气的流量越小 距离流量曲线和距离压力 曲线都表现出有很好的线性区域 1 0 硕士学位论文 图2 2 气动线路图 珩磨主动测量采用非接触气动方式 一方面避免了被加工表面的划伤 并消 除了接触式测头带来的磨损 以及由机床振动 热变形等对测量精度的影响 另 一方面 气动量仪采用双喷嘴结构后 在测量范围内具有和差演算能力 降低了 工作过程中的动态误差 提高了内孔珩磨过程中的尺寸控制精度 2 2 2 背压式气动测量 背压式气动测量原理 如图所示 压缩空气从气源经过滤器滤清后 由进气 阀进入稳压器 减压器后续气路的压力稳定在只 压力为e 的压缩空气经过节流 孔流向测头 通常为喷嘴挡板机构 并由测头流入大气 节流孔与气动测头之间 管段中气流的压力 被称为背压 当测头为喷嘴挡板时 背压 与喷嘴挡板的间 隙s 呈一一对应的函数关系 只要从压力指示部分读出背压 值就可以获得被测 参数s 的大小 背压只可以通过传感器转换成电压或电流表示 应用电子技术和 计算机技术 就可以设计出集自动采集 自动误差补偿 计算机显示 打印结果 的智能化气动量仪 稳压后压力只的空气进入稳压气室l 经主喷嘴2 进入背压 气室3 后 由测量喷嘴4 和挡板之间的间隙 表示为s 流入大气 背压气室中的 压力 与测量喷嘴挡板之间的间隙s 的函数关系为 f 2 1 图2 3 背压式气动测量原理图 卜稳压气室2 一主喷嘴3 一背压气室4 一测量喷嘴 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 背压气动测量间隙曲线 一般均由粘性部 直线部 过度部和水平部四段组 这个也适用于下面要说的差压式气动测量 p s 曲线的中间部分基本呈直线 表示背压 随测量间隙s 线性变化 这 度称为线性区范围 直线斜率为气动量仪的灵敏度 这一段是气动量仪中可 用的部分 背压式需要两个校对规 以保证证好的可跟踪性 内部器件容易接触 用户 维修性好 有非常好的线性 互换性好 可以同多种仪器制造商配套使用 3 差压式气动测量 23 4 56 7 图2 4 差压式气动测量原理图 卜气源2 一 滤器3 一进气阀4 一稳压器5 一可调节流阀6 l j j 量喷嘴7 一工件 差压式气动测量气路原理如图所示 由气源l 来的压缩空气经过滤器2 进 气阀3 和减压阀4 后 具有恒定的压力以 分成两路流动 一路经主喷嘴5 和测 量喷嘴6 流入大气 另一路直接连入差压式传感器的高端气压输入端 显然气路 是输入的恒定压力 与测量腔压力 的差值 p e 2 2 式中 一输入端的恒定压力 只一测量腔压力 与背压式气路相比 差压式气路的优点是可以减少由于减压阀输出压力p 的变动而引起的测量误差 差压式气路可以实现差动测量 是常数 而测量腔压力只与s 呈一一对应的函数关系 因此压力差压与s 也有一一对应的函数关系 当测头固定不动时 凹的变化就反映了间隙s 的变 化 亦即反映了工件尺寸的变化 其函数关系式 p 差 f s 2 3 其中厂 s 为相同主喷嘴和测量喷嘴下的背压式气路 和s 的函数 厂 为输入端恒定压力 所以差压 间隙特征曲线如图2 5 所示 1 2 卜粘性部2 一直线部3 一过渡部4 一水平部 差压式的主要优点是它的线性优异 所以具有较高的分辨率 很容易用单一 的校对规来调定 并特别稳定 快速时间响应时间 没有可调性 量具用途单一 不受气源压力变化的影响 测量范围较大 有利于在过程中测量工件 稳定性好 测量后读数无漂移 这些特点优于背压式气动测量 综上我们选择差压式气动测量 气动测量是非接触式 喷嘴与工件表面不接 触 可在工件全长范围测量 测量时喷嘴处的气流还可以吹净被测表面 在量仪 的线性范围内有较高的测量精度 目前一般为0 0 0 4 0 0 0 8 m m 左右 在珩磨加 工中得到广泛的运用 气动测量磨头系统的旋转密封装置分为间隙式 o 型橡 胶圈式 端面密封式等多种结构 制造精密 要求保证较好的气密性能 图2 6 非接触式气动测量系统 1 3 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 2 3 基于非接触气动测量的珩磨头设计参数研究 由前面可知p s 曲线的均由粘性部 直线部 过度部和水平部四段组成 中 间部分基本呈直线 表示背压只 随测量间隙s 线性变化 这段长度称为线性 区范围 差压气动测量在量仪的线性范围内有较高的测量精度 在线性范围外不 符合要求 就是给间隙值间隙偏小带来的问题 在图2 7 中 依次定义 d l 为测量喷嘴包络圆的直径 职为硬质合金护板包 络圆的直径 皿为待珩磨工件的直径 皿为工件珩磨完毕后的最终直径 1 23 4 d d 3 d 图2 7 珩屠加工气动测量图 卜被测工件2 一合金护板3 一测量气路4 一气动测量喷嘴 2 3 1 测量间隙数x 测量间隙系 x d 3 一日 测量间隙系数x 由所选气动量仪的性能所决定 差压气动测量间隙值范围 定义为 k s k 曩 由此可知 1 4 硕士学位论文 d 3 日 k 取 2 4 其中定义k 瓠零位间隙 查阅资料非接触气动测量的零位间隙一般在0 3 m m 左右 故测量间隙数 x 0 0 3 r a m 2 3 2 喷嘴单边下沉量c 喷嘴单边下沉量c 由于喷嘴下沉量偏小 在珩磨过程中合金护板稍有磨损 就会伤及测量喷嘴 从而影响测量精度 造面的后果是 为了减少控制精度的下降 不得不频繁更换护板 更换喷嘴 c 砬一日 五啦 2 5 c 一般在0 0 3 5m m 左右 2 3 3 护板与珩磨工件内表面间隙值s 由于珩磨采用双进给机构 合金护板和测量喷嘴随油石涨出 从而可以保证 测量见系数在差压气动测量间隙值内 即气动喷嘴的测量间隙在气动量仪放大倍 数的线性范围内 护板与待加工间隙值s x 日一d 2 2 6 研究表明 d 2 d 3 0 0 2 r a m 是比较理想的选择 即待加工工件内表面直径比合金护板直径小0 0 2 r a m 这样既能保证测量的稳定性 又有足够的寿命 2 4 建立机床测量坐标系 对珩磨工件内表面进行形状判定 就要对工件内表面进行测量 我们非接触 式气动测量技引入到珩磨n t 把测量数据被珩磨系统所采集 前提要建立机床 坐标系 建立坐标系以然后合理布置测量点 经非接触式气动测量系统测量 便 于后续处理 我们建立坐标系有两种方法 以工件为基准坐标系 以机床为基准 建立坐标系 2 4 1 建立工件测量坐标系 工件坐标系是在被测工件上建立的坐标系 是为了修正被测工件摆放位置误 差而建立起来的坐标系 它的作用等效于使用传统测量仪器在测量之前所做的精 确找正 所以一般要在测量前建立工件坐标系 对于珩磨工件而言就是在建立缸 体上建立坐标系 建立工件坐标系分为三步 零件的找正 旋转到轴线 设置原 点 常用的工件坐标系建立方法主要有三二一法 一面两直线法 三平面法 多 1 5 珩磨工件内表面形状快速判定方法的研究 拟合法 迭代法 最小二乘法等 5 0 1 我们就三二一法工件坐标系进行探讨 二一法建立坐标系的过程 1 在零件基准面上采三个以上的点确定基准平面的法向 将其作为待建工 坐标系的第一轴方向 2 在零件基准线上测量两个以上的点 将拟合成的直线方向或直线在基准 面上的投影方向 当拟合直线不在基准平面上时 作为待建工件坐标系第二轴 方向 基准线一般为零件的孔或轴的轴线 3 在零件上采样一个基准点 当测量元素为点时 求点在2 所测轴线在基 平面上的投影线上的投影点 将其作为待建坐标系原点 当测量元素为圆或者 时 将圆心或球心误差分析及减小方法设置为待建坐标系原点 4 将第一轴的方向矢量和第二轴的方向矢量叉乘得到第三轴的方向矢量 此 工件坐标系的全部信息便完全确定 此种方法与零件装夹定位的六点限制自由度法相一致 是一种应用广泛 操 作方便的工件坐标系建立方法 主要应用于零件坐标系位于工件本身 并在机器 的行程范围内能找坐标原点的比较规则的工件 但由于零件加工误差的存在 点 的选择好坏直接影响了坐标系的建立精度 此外 当三坐标测量机没有c a d 图 形显示与操作功能时 用此种方法建立测量坐标系 坐标原点的位置不容易控制 还需要进行后续的调整与再定位工作 2 4 2 建立机床测量坐标系 数控机床自身的坐标系 如果没有任何传感器被校准和没有产生零件基准 那么当前的坐标是相对于机器坐标系的 它以珩磨头回零点作为坐