机械精度对中心偏测量精度的影响(机电一体化)

四川理工学院成人教育学院毕业设计(论文) 题 目 机械精度对中心偏测量精度的影响 教学点 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 姓 名 指导教师 定稿日期： 理工学院成人教育学院毕业设计（论文）任务书学生姓名 专业班级机械设计制造及自动化设计（论文）题目机械精度对中心偏测量精度的影响接受任务日期 完成任务日期 指导教师（签名） 指导教师单位 设计(论文)内容目标1、综合运用平时所学理论基础，基本知识和基本技能，提高和分析解决实际问题的能力。2、查阅相关文献和资料，制定设计或实验方案。3、参考文献不得少于8篇。4、设计、计算、绘图。5、总结和撰写论文。6、在规定时间内完成老师布置的论文内容。设计(论文)要求1、内容丰富，立意新颖。2、资料详实，运用得当。3、语体正确，合符规范。4、层次清晰，中心突出。5、论证充分，结论合理。6、正文不少于 5000 字。参考资料 1 王肇勋. 光学系统偏心测量原理及应用 J . 光学技术, 1998 (3) : 67 - 77. 2 耿丽红, 范天泉. 高精度光学中心偏测量仪主要技术指标的检测 J . 光子学报, 1998, 19 (4) : 40. 3 李红. 数值分析 M . 武汉: 华中科技大学出版社, 2003: 245 - 278. 4 史国栋,沃松林. 参数不确定广义大系统的保性能分散控制 J . 控制理论与应用, 2005, 22 (6) : 913 - 917.注：此表由指导教师填写后发给学生，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。机械精度对中心偏测量精度的影响摘 要 中心偏测量是高精度镜头必不可少的一环,是制作和检测光学系统设备的重要手段;依据测量结果判断光学系统是否符合要求;对中心偏测量中可能影响到测量精度的情况进行了分析,得出了工件安装误差是影响测量精度的主要原因;进而讨 了用光轴拟合来减小安装误差影响,进行数据优化处理的措施. 关键词:中心偏测量;安装误差;光轴拟合 Influence of mechanical precision of the center deviation measurement precisionAbstractMeasurement of decentration is an indispensable part of high precision lens, is an important means of production and testing of optical system equipment; on the basis of the measurement results to determine whether it meets the requirements of the optical system; center may affect the measurement accuracy are analyzed deviation measurement, the workpiece installation error is the main factor influencing the measurement accuracy; and please use the optical axis fitting to reduce installation error, data processing optimization measures.Key words: center deviation measurement; error; optical axis fitting第一章 绪论1第二章 光学系统中心偏测量仪的测量原理3第三章 影响测量精度的关键因素分析43.1轴的晃动误差43.2测量头光轴的倾斜和平移的影响53.3瞄准读数精度53.4安装误差对测量数据的影响6第四章 测量数据的优化处理84.1对测量数据进行优化的必要性84.2对测量数据进行优化的方法8结论10致 谢11参考文献12第一章 绪论现在人们通过实践已越来越认识到测试技术的重要性，国内测试技术也已有了很大的发展，现在已基本上采用了标准化、模块化设计体制.已从CAMAC、 PC总线、STD总线向VXI、PXI总线发展，从堆叠式测试系统向标准化、模块化测试系统发展，并先后研制出国化VXI模件、VXI测试系统及PXI 系统，使我国测试系统技术水平逐步进入国际先进行列。在航天器、武器系统的单元系统中也设计了自检测功能，但在实用的自动测试系统中，尤其在武器系统的测试中，缺少实用的人工智能测试技术，故障诊断水平低、实用性差、网络化水平低。从测试体制的变革方面，国内尚没有边缘扫描技术和完善的智能内装测试系统.因此，与国外存在比较大的差距，国外20世纪八十年代末，九十年代初即提出了内装测试系统和可测试性概念，随后研制出了设备，并制订出了相应标准.近年来中国测量技术的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观.测试技术行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土测量技术取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备和汽车电子设备的研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击.随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长.在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品. 拥有中国该领域唯一重点实验室的中国电子集团公司第41研究所，凭借着本土测试领域的龙头地位，通过属下的青岛兴仪电子设备有限责任公司，成功地实现了由技术到产品的转化，开发出了多款具有很高技术水平的产品。该所研制出的高纯微波合成信号发生器、微波噪声系数分析仪、便携式射频频谱分析仪、 2.5Gb/sSDH/PDH数字传输分析仪、高性能的光通讯设备，包括光谱分析仪和高性能微型光时域反射计，还有高速数字示波器等，目前都已经形成比较完整的产品系列。其中AV1489型高纯微波合成信号发生器采用全正向设计方法，突破了高纯度微波频率合成等多项关键技术;AV3984型微波噪声分析仪突破了智能微波噪声源等多项关键术;AV4022型便捷式射频频谱分析仪突破了小型化设计与制造等关键技术，还有高性能的AV3600系列的宽带矢量网络分析仪，DT系列数字电视码流实时检测仪等.另外，该所还与海信集团一道，研制出了数字电视全部四个层次上的测试仪器.无疑这对中国的数字电视产业的发展将起到很大的推动作用.这些仪器除了能解决所有通用协议分析外以及物理层的各种指标的测试外，还有一个很重要的特点，就是结合中国数字电视标准和特点，保留了很好的可升级性。现在人们通过实践已越来越认识到测试技术的重要性，国内测试技术也已有了很大的发展，现在已基本上采用了标准化、模块化设计体制.已从CAMAC、 PC总线、STD总线向VXI、PXI总线发展，从堆叠式测试系统向标准化、模块化测试系统发展，并先后研制出国产化VXI模件、VXI测试系统及PXI 系统，使我国测试系统技术水平逐步进入国际先进行列。在航天器、武器系统的单元系统中也设计了自检测功能，但在实用的自动测试系统中，尤其在武器系统的测试中，缺少实用的人工智能测试技术，故障诊断水平低、实用性差、网络化水平低。从测试体制的变革方面，国内尚没有边缘扫描技术和完善的智能内装测试系统.因此，与国外存在比较大的差距，国外20世纪八十年代末，九十年代初即提出了内装测试系统和可测试性概念，随后研制出了设备，并制订出了相应标准.近年来中国测量技术的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观.测试技术行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土测量技术取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备和汽车电子设备的研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击.随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试技术仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长.在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品. 拥有中国该领域唯一重点实验室的中国电子集团公司第41研究所，凭借着本土测试领域的龙头地位，通过属下的青岛兴仪电子设备有限责任公司，成功地实现了由技术到产品的转化，开发出了多款具有很高技术水平的产品。该所研制出的高纯微波合成信号发生器、微波噪声系数分析仪、便携式射频频谱分析仪、 2.5Gb/sSDH/PDH数字传输分析仪、高性能的光通讯设备，包括光谱分析仪和高性能微型光时域反射计，还有高速数字示波器等，目前都已经形成比较完整的产品系列。其中AV1489型高纯微波合成信号发生器采用全正向设计方法，突破了高纯度微波频率合成等多项关键技术;AV3984型微波噪声分析仪突破了智能微波噪声源等多项关键术;AV4022型便捷式射频频谱分析仪突破了小型化设计与制造等关键技术，还有高性能的AV3600系列的宽带矢量网络分析仪，DT系列数字电视码流实时检测仪等.另外，该所还与海信集团一道，研制出了数字电视全部四个层次上的测试仪器.无疑这对中国的数字电视产业的发展将起到很大的推动作用.这些仪器除了能解决所有通用协议分析外以及物理层的各种指标的测试外，还有一个很重要的特点，就是结合中国数字电视标准和特点，保留了很好的可升级性。第二章 光学系统中心偏测量仪的测量原理 所谓的中心偏是指透镜的光轴 ( 2个表面曲率中心的连线)和几何轴 (与透镜边缘等距的轴线) 的不重合度. 由多镜片构成的成像系统由于各镜片光轴和系统光轴偏差 (中心偏)的存在, 势必造成慧差、像散等一系列像差,而很多对精度要求极高的系统,如投影光刻物镜、卫星摄影测量等都需要高水平、高稳定性以及高难度的工艺技术来支持,因而中心偏测量是高精度镜头必不可少的一环,这也要求中心偏测量结果足够精确. 笔者对影响光学系统中心偏测量仪的测量精度的因素进行了分析,并对如何减小误差影响,进行数据优化处理进 行了讨论. 1光学系统中心偏测量仪的测量原理光学系统中心偏测量仪采用反射式自准直法测量 (测量精度为 2 2 ) , 测量原理如图 1所示,十字分划板上的十字线 O 0 经透镜 L后照射到被测件上,经被测件光学球面反射回的光线在分划板上成像, CCD光电器件对分划板上像点位置进行探测, 如图 1所示. 图 1中心偏测量原理设基准轴中心为 O, 球心位置为 C, 偏移量为 e, 则球面反射后 O像点为 O: OO= 2e, O点成像在分划板上 O处. 将被测透镜转动, C点绕基准轴转动, O划圆, O亦划圆. O划圆直径为 4e, 测出直径上两位置的数据, 设为 a, 则中心偏角量: = ep r ( 1) 其中 r为被测球面半径, p为转换系数, p = 206 265. 2 采集卡将探测的数据进行采集并传输到计算机, 由计算机对采集的数据进行处理并计算. 图1.1 中心偏测量原理图 第三章 影响测量精度的关键因素分析3.1轴的晃动误差旋转轴线的误差精密机械中的轴系在旋转过程中要求有较高的回转精度, 其精度一般用轴系的轴线位置变动量来表征. 在理想情况下, 轴身旋转的中心线应该与套筒的中心线重合. 可是由于轴心吻合度存在误差, 就会产生轴线的误差. 而旋转轴实际回转轴线的变动可分为轴向窜动s, 径向移动c, 轴线角度摆动y. 轴线的误差又分为 2种, 一种是径向间隙误差, 另一种是轴的晃动产生的误差. 1) 径向间隙误差 (如图 2) 旋转轴在任一轴向位置时, 旋转轴实际回转轴线的单一径向偏移与旋转轴轴线角度摆动所引起轴心径向偏移之和为: c =c 0 + l n 99 ( 2) 式中c 0 为旋转轴旋转在任一轴向位置时, 实际回转轴线的径向偏移; l n 为轴线摆动角顶点至旋转轴端面之距离;c表征旋转轴线对理论轴线的径向偏移程度. 图 2径向间隙示意图图 3轴的晃动示意图 2) 轴的晃动误差 (如图 3) 旋转轴实际回转轴线对转轴理论轴线的纯角度摆动量称为晃动误差,即为定向误差,表征实际回转轴线对给定方向的偏移量. 轴线误差比较小,总共大约只有十几 s. 图2.1 径向间隙示意图 图2.2 轴的晃动示意图3.2测量头光轴的倾斜和平移的影响测量头光轴的倾斜和平移的影响本测量仪设计要求测量头的光轴与转台的光轴重合,由于制造和安装原因,会产生误差;另外导轨的直线度不好,也会产生光轴的倾斜或者位移. 但在本测量仪的设计中,我们采取的是取圆直径来计算偏移量. 不管中心偏移量有多大, 我们旋转输入的光信号,其轨迹将形成一圆形. 只要求出圆形的直径,就能得到其光学中心的偏移量. 因此,测量头光轴的位移和倾斜以及导轨的不直度不会影响到测量结果.3.3瞄准读数精度瞄准读数精度对于瞄准读数来说,可以通过以下几个方面来提高其精度: 1) 放大倍数放大倍数越大, 所产生的图像也越大, 越能精确的定位图像,精度也越高. 2) CCD摄像头的参数 CCD的像元越小, 单位面积上接收的信号越多,精度越高. 另外, CCD像元的均匀性误差很小, 可以忽略. 3) 透镜成像质量光学透镜的成像质量越好,越能投出清晰的影像,其读数精度也将越高. 瞄准读数其误差大约也只有几 s.3.4安装误差对测量数据的影响安装误差对测量数据的影响测量过程中,由于存在安装操作的随机性或者夹具调整不到位,将会出现一些误差. 被测件结构示意图如图 4所示,透镜装在该镜筒内. 设计时的基准面为 A面, A面允许的公差带是 0. 03 mm,使用装配时的垂轴基准面对 A面的端面跳动允许 0. 015 mm. 中心偏测量时工件的安装方法见图 5. 其安装基准为 B面, A面与夹具是间隙配合.图3.1 被测镜筒的结构示意图图3.2 被测件安装方法示意图从上面我们可以看出测量时会产生下列误差: 光轴倾斜产生的误差我们仅以设计的基准面进行计算. 设计时的基准面为 A面, A面允许的公差带是 0. 015 mm,光轴的倾斜量 1 为: 1 = 0. 015 / 63 = 0. 000 238 rad = 48在测量安装工件的过程中, 由于安装面 B面对 A面是自由公差, 没有垂直度的要求, 而且夹具的支承底面的位置亦有误差, 导致光轴倾斜. 光轴倾斜时, 测量系统最终测量到的数据相应于标准情况下 (理想情况下不存在倾斜) 相比将又增加一些偏差. 实际的误差远大于 1 . 2) 光轴平移产生的误差. 在测量安装光学系统的过程中,由于夹具与透镜间有间隙导致光轴平移. 光轴平移时, 测量系统最终测量到的数据相应于标准情况下 (理想情况下不存在平移) 相比将会整体上出现一些偏差. 由于装夹面为 A面, A面允许的公差是 0. 03 mm,将引起附加中心偏为 0. 015 mm. 假设被测球面半径为 20 mm,产生的测量误差 2 为: 2 = 0. 015/ 20 rad = 0. 000 75 rad = 150 3)光轴倾斜和平移均存在时产生的误差在 2种误差都存在的情况下,实际上只是对测量数据整体上作用了两方面的附加偏移.第四章 测量数据的优化处理4.1对测量数据进行优化的必要性对测量数据进行优化的必要性中心偏测量仪的设计指标为 2, 由以上对影响测量数据的误差分析可以很明显地看到影响测量数据精度特别是重复性精度的主要是工件的安装误差,其他因素对测量数据精度影响较小,不影响数据的重复性,而且可以通过对系统的适当调整来减小因之产生的影响. 但是工件的安装误差仅光轴平移产生的测量误差就为 150,而仅这一项误差就已超出了中心偏测量仪的设计指标 2. 若光轴倾斜和平移同时存在时产生的误差则更是远远超出了中心偏测量仪的设计指标 2. 如果直接使用这些误差较大的测量结果来判断所测的高精度光学系统是否符合要求显然是荒谬的,毫无意义的, 若因此将一个精度完全不符合要求的系统判定为符合要求,由此可能导致严重的后果. 由以上分析知道,若想提高测量结果的精度, 使之成为判断所测高精度光学系统是否符合要求的依据,必须通过合理的方法对测量数据进行优化以排除安装误差对测量结果精度.4.2对测量数据进行优化的方法对测量数据进行优化的方法对于同一个透镜组,透镜的中心偏是固定的, 然而由于安装误差的存在 (如光轴发生平移或者旋转)对同一个透镜每次安装后进行中心偏测量时测量结果都不相同图4.1 光轴偏移时的测量结果示意图从图中很容易可以看出虽然图中两组测量结果不同,但是各点之间的相对位置并没有变化 (这是因为透镜组中每个透镜的中心偏是不变的) ,到各自最佳光轴的距离也是不变的. 图 4.1光轴偏移时的测量结果示意图因此我们只要拟合出最佳光轴 3 并以此为基准轴对所测数据进行优化,即计算出各点相对于最佳光轴的偏心距离作为中心偏测量的数据,就可以消去安装误差对测量结果带来的不良影响,大大提高中心偏测量数据的精确度,为后面的测量过程提供一个重要的依据. 确定最佳光轴的具体步骤如下: 1)将测得的三维空间数据点 (透镜的光心坐标)投影到 yOz平面, 将得到的二维平面数据点进行最小二乘法直线拟合, 得出位于 yOz平面内的直线, 记为直线 1; 2)过直线 1并垂直 yOz平面作一平面, 记为平面 A; 3)同理可以求出位于 xOz平面内的直线 2, 过直线 2并垂直 xOz平面作一平面, 记为平面 B; 4)求出两平面的交线, 此即为空间最佳光轴直线方程; 5)根据实际测得的光心坐标计算各点到最佳光轴的距离,即得到优化后的数据. 具体数据处理时采用 MATLAB 编程进行运算.结论首先对光学系统中心偏测量仪的测量误差进行了分析,其中详细分析了对结果影响最大的工件安装误差及进行数据优化来消除工件安装误差的必要性,并讨论了采用光轴拟合对原始的测量数据进行数据优化的合理性. 光轴拟合就是要找到系统的最佳光轴,数据优化是计算出各点相对于最佳光轴的偏心距离, 这样中心偏测量的重复性就比较好,而且能够根据运算数据优化光学系统,以得到更好的成像系统.致 谢首先，我要感谢父母和老师。由于本人水平上的局限，本次毕业设计中遇到众多困难，本人得到了父母长期支持和鼓励以及平时的谆谆教诲，受到老师精心的指导，提出了许多宝贵的意见，为本次设计付出了很多心血和精力其次，我要感谢其他在对本论文上给予我帮助老师。是他们对