谈采样精密工程中免形状测量关键技术期刊

论文导读：
摘要：精密测量是工程科学的基础，是现造技术的关键，而形状误差测量历来是精密测量的重要内容。形状误差测量技术历经演变和进展，却一直遵循着基本的测量方式，即：无论是通用型测量仪器还是专用型测量仪器，对形状误差测量和评定时，都要求知道被测对象的几何模型和设计参数；测量仪器的设定也依赖于这些模型和参数，并据此获取被测对象的几何信息，进行数据处理与形状误差评定。在科学探讨与工业实践中，常常有着几何类型及参数未知的被测对象，如何测量与评定已成为精密工程的一个现实不足。由于缺乏名义模型和参数，传统精密测量方式难以进行测量；测绘技术虽能获取一些数据，但其精度较低，不能满足精密工程需要；而反求工程重构的数字化模型总体上不具有清晰的结构特点，很难了解模型的准确含义，也无法进行误差评定。基于精密工程中零件“小偏差假设”，提出了免形状（Form-free）测量方式，即测量仪器不依赖被测对象的几何形状、无须知道几何参数、无须精密定位的情况下，也能进行几何尺寸和形状误差的测量与评定。要实现免形状测量，获取可靠的几何信息是基础。本论文探讨了实现免形状测量的关键技术，主要工作如下：（1）论述了精密工程中免形状测量方式及其关键技术。系统地阐述精密测量的几个基本不足，即测量与测量历程、被测要素、名义几何模型与被测对象、计量单位、测量策略及复杂形状测量，以及测量不确定度；浅析了传统精密测量方式和反求工程的特点，指出其不能测量名义几何模型未知的被测对象；阐述了免形状测量的基本思想和基本思路；浅析了实现免形状测量的几何信息获取关键技术；介绍了几何形状识别的探讨策略及面向免形状测量的快速几何形状识别算子；浅析了免形状测量的特点及运用前景。（2）重新认识了阿贝原则，提出了广义阿贝原则。回顾了古典阿贝原则及其进展，指出其焦点乃不同的结构布局下导轨角运动产生的一次误差；浅析了非刚体基座和非刚体滑板产生的误差，浅析了不同要素布局产生的误差阶次；发现即使满足古典阿贝原则的要求，依然可能有着一次误差，进而揭示了阿贝原则的隐含条件，提出了“五要素同线”的广义阿贝原则；浅析了二维和三维阿贝原则，讨论了符合二维阿贝原则的结构形式，发现了要符合三维阿贝原则并不比符合二维阿贝原则复杂，浅析了在研制复杂形状测量机历程中如何减小阿贝误差。（3）研制了一台高精度、微进给、快速度、大量程的免形状测量机。根据免形状测量方式对测量仪器的特殊要求，确定了测量机的主要性能指标，确定了总体设计原则，设计了测量机结构，设计了关键部件并进行了浅析，发明了一种真空负压的空气静压气浮导轨，发明了一种H型二维共平面工作台，具有高精度、大行程、大承载能力等特点，设计了气动平衡的Z轴以及气浮隔振部件等。（4）构建了测量机运动制约系统、气动平衡制约系统、气浮隔振制约系统和探测系统，编制了测量软件框架。基于开放式可编程制约器设计了制约系统，包括电机、驱动器和位移测量系统的选型计算；实现了Y轴双电机高精度同步驱动；实现了Z轴重力平衡和掉电制动功能；以触发式测头为例，介绍了其与制约系统的连接，确定了测量信号的捕获策略，并设置了制约器相关参数；采取Visual C#作为编程语言，编制了测量软件框架。（5）提出了一种面向名义模型和参数未知的复杂形状的自适应采样策略。该策略先获得反映被测对象轮廓走势的特殊点作为外形粗测；采取三次样条内插技术获得特殊点的内插点；精测阶段，基于已测点采取等曲率外插技术获得外插点；根据外插点和其最近的内插点判断下一个探测起始点；采取MATLAB分别对简单非封闭曲线和复杂封闭曲线进行了仿真，发现了采样步长系数、曲率半径阈值、固定步长系数对采样精度和效率的影响规律，验证了该采样策略的稳定性、精度、效率和可靠性。（6）实验探讨。对运动制约系统进行调试，以实现预定的运动功能；对新型导轨与传统导轨精度进行加载比较实验；采取激光干涉仪对各轴直线度、定位精度和相互垂直度误差进行检测；在制约系统制约下进行0.5μm微进给实验；调整隔振系统，进行了隔振性能测试。关键词：免形状测量论文坐标测量机论文阿贝原则论文采样对策论文测控系统论文
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Abstract6-9
目录9-14
第1章 绪论14-38

1.1 探讨背景及作用14-15

1.1 几何模型未知的复杂曲面14

1.2 测量技术面对的挑战14-15

1.2 形状误差及其检测15-19

1.2.1 形状误差15-16

1.2.2 形状误差检测原则16-17

1.2.3 形状误差评定17-19

1.3 坐标测量技术19-33

1.3.1 坐标测量技术及其演变19-23

1.3.2 坐标测量技术近况23-29

1.3.3 坐标测量的不确定度29-32

1.3.4 坐标测量技术有着的不足32-33

1.4 课题来源和主要探讨工作33-38

1.4.1 课题来源33

1.4.2 课题基本思路及主要探讨工作33-38

第2章 免形状测量方式38-50

2.1 精密测量的基本不足38-40

2.

1.1 测量与测量历程38

2.

1.2 被测要素及名义几何模型38-39

2.

1.3 计量单位39

2.

1.4 测量策略及复杂形状测量39-40

2.

1.5 测量结果40

2.2 传统精密测量方式和反求工程40-42

2.1 传统测量方式40-41

2.2 反求工程41-42

2.3 免形状测量方式42

2.4 几何信息获取关键技术42-44

2.5 几何形状识别44-46

2.5.1 形状识别基础44

2.5.2 免形状测量的快速识别算子44-46

2.5.3 形状识别算子的改善46

2.6 免形状测量及智能坐标测量技术46-48

2.6.1 免形状测量与被测对象的形状46-47

2.6.2 免形状测量的目标47

2.6.3 免形状测量与智能坐标测量技术47-48

2.7 免形状测量的特点和运用前景48

2.8论文导读：2.1直线度误差的检测原理1447.2.2新型导轨精度144-1467.2.3传统导轨精度146-1477.2.4导轨精度比较147-1487.3运动精度检测148-1557.3.1直线度误差148-1527.3.2直线度误差数据浅析152-1537.3.3垂直度误差153-1557.3.4垂直度误差数据浅析1557.4定位精度实验155-1587.

4.1定位精度实验结果155-1577.2定位精度数据浅

本章小结48-50
第3章 阿贝原则再认识50-62

3.1 古典阿贝原则及其扩展50-53

3.

1.1 古典阿贝原则50-51

3.

1.2 古典阿贝原则的扩展51-52

3.

1.3 一次误差：阿贝原则的焦点52-53

3.2 要素布局产生的误差浅析53-55
3.

2.1 阿贝原则的基本条件53-54

3.

2.2 标准量与被测量54

3.

2.3 瞄准点和读数点54-55

3.

2.4 导向面55

3.3 阿贝原则的隐含条件55-56

3.1 阿贝原则的隐含条件55-56

3.2 广义阿贝原则56

3.4 二维和三维阿贝原则56-58

3.4.1 二维阿贝原则56-57

3.4.2 三维阿贝原则57-58

3.5 运用举例58-60

3.5.1 工具显微镜精度提升58

3.5.2 减小阿贝综合误差与误差补偿58-60

3.6 本章小结60-62

第4章 FormFree300 测量机设计及关键部件浅析62-100

4.1 免形状测量对仪器的特殊要求62-63

4.2 设计目标63-64

4.

2.1 性能指标63

4.

2.2 设计简要浅析63-64

4.3 总体设计64-73
4.

3.1 总体设计原则64-65

4.

3.2 测量机结构65-69

4.

3.3 工作原理69-70

4.

3.4 系统组成70

4.

3.5 精度分配70-73

4.4 关键部件设计及浅析73-96

4.1 封闭式真空负压的空气静压气浮导轨73-82

4.2 X 轴和 Y 轴共平面二维结构82-93

4.3 Z 轴部件93-94

4.4 隔振部件94-96

4.5 其他部件设计96-98

4.5.1 弓形立柱96-97

4.5.2 横梁97-98

4.6 FormFree300 测量机外形98

4.7 本章小结98-100

第5章 测控系统探讨100-126

5.1 免形状测量对测控系统的要求100-102

5.

1.1 测控系统的技术近况100-101

5.

1.2 免形状测量的要求101-102

5.2 运动制约系统102-110
5.

2.1 直线电机102-107

5.

2.2 伺服驱动器107-108

5.

2.3 运动制约器108

5.

2.4 位移测量系统108-109

5.

2.5 运动制约系统工作原理109-110

5.3 Y 轴双电机同步驱动技术110-114
5.

3.1 双电机同步驱动技术探讨近况110-113

5.

3.2 交叉耦合同步驱动的实现113-114

5.

3.3 制约器参数设置114

5.4 Z 轴重力平衡制约114-117
5.

4.1 重力平衡系统114-117

5.

4.2 气动制约的电气连接117

5.5 气浮隔振制约系统117-119

5.6 探测系统119-122

5.6.1 测头119

5.6.2 探测系统构建119-120

5.6.3 制约器的设置120-121

5.6.4 信号捕获程序121-122

5.7 运动制约程序122

5.7.1 单轴运动程序122

5.7.2 多轴联动程序122

5.8 上位机软件框架122-124

5.9 本章小结124-126

第6章 自适应采样对策探讨126-140

6.1 探讨近况概述126-127

6.2 综合曲率外插和特点点内插的自适应采样策略127-128

6.3 采样策略主要步骤128-132

6.

3.1 特殊点内插128-129

6.

3.2 曲率外插129-130

6.

3.3 曲率外插点和特点点内插点的综合比较130-132

6.4 仿真实验132-138
6.

4.1 简单非封闭曲线仿真132-134

6.

4.2 复杂封闭曲线仿真134-138

6.5 讨论138-139

6.6 本章小结139-140

第7章 实验探讨140-160

7.1 运动制约系统调试140-144

7.

1.1 X 轴运动制约调试140-141

7.

1.2 Y 轴运动制约调试141-142

7.

1.3 Z 轴运动制约调试142-143

7.

1.4 多轴联动143-144

7.2 新型导轨与传统导轨的精度比较测试144-148
7.

2.1 直线度误差的检测原理144

7.

2.2 新型导轨精度144-146

7.

2.3 传统导轨精度146-147

7.

2.4 导轨精度比较147-148

7.3 运动精度检测148-155
7.

3.1 直线度误差148-152

7.

3.2 直线度误差数据浅析152-153

7.

3.3 垂直度误差153-155

7.

3.4 垂直度误差数据浅析155

7.4 定位精度实验155-158
7.

4.1 定位精度实验结果155-157

7.

4.2 定位精度数据浅析157-158

7.5 微进给实验158

7.6 隔振系统实验158-159

7.7 本章小结159-160

结论160-164
参考文献164-178
附件 A 部分程序178-184
附件 B 发明专利证书184-188
附件 C 参加的重要学术会议188-190
攻读博士学位期间发表的学术论文190-192
致谢192