基于激光传感器的滚珠螺母型面测量

为了实现滚珠螺母型面的快速精确测量,提出了激光测量方法并设计测量装置。首先,基于经直角棱镜反射的点激光轴向扫描的测量原理设计了螺母滚道型面检测装置,并根据滚道的数学模型提出轴法向转换的数据处理方法。然后,对直角棱镜的平移和转角误差、激光偏移误差、激光倾斜误差建立模型进行分析。最后,设计工装对标准钢球和圆槽进行扫描,并对螺母滚道开展实际测量。结果显示,完成误差标定后,经棱镜反射的点激光扫描圆弧轮廓的测量误差在3.1μm以内,标准差在2.2μm以内。对螺母滚道的扫描图像完整有效,总体精度满足螺母滚道型面的测量要求。     

基于共路光线漂移补偿的直线度测量

针对影响激光测量直线度误差的主要因素之一激光光线漂移,提出了一种基于共路光线漂移补偿的直线度误差测量方法,给出了具体的测量原理和系统构成。从产生激光光线漂移的几个因素出发,理论分析了所产生的光线漂移对直线度误差测量的影响,建立了相对应的光线漂移补偿模型。结果表明,进行补偿后激光器出射光线引起的光线漂移在X方向的最大漂移量由28.4μm减少为5.6μm,Y方向的最大漂移量由21.6μm减少到5μm;由温度梯度引起的光线漂移经补偿后最大漂移量由65.7μm减少为8.9μm。实验结果与理论分析均表明,该方法能有效减少各种因素引起的光线漂移对直线度测量结果的影响,提高测量直线度误差的准确性。     

三点法圆外径测量优化研究

为提高三点法圆外径测量方法精度,解决接触式测量精度低和易损伤工件等问题,文中进行了非接触式三点法圆外径测量优化研究。该研究对传感器布放角度进行优化设计,建立考虑传感器安装偏角误差的三点法圆外径测量的数学模型,直接使用解析的方法进行半径求解,避免了傅里叶变换所带来传递函数分母为零的频域特征损失。在此理论研究基础上,搭建了基于电容位移传感器的非接触式三点法圆外径测量装置。使用三坐标测量机建立标定坐标系,拟合测量出3支电容位移传感器的安装偏角,完成三点法圆外径测量装置的参数标定和误差修正。标定完成后应用该测量装置对已知外圆半径为18 mm的标准工件进行测量,6组不同位置的测量结果表明,未考虑传感器安装偏角误差时圆半径测量的最大偏差为19.6μm,标准差为11.9μm,修正传感器安装偏角误差后圆半径测量的最大偏差为3.3μm,标准差为2.2μm,优化的测量方法标准差显著减小,验证了方法的有效性。     

非接触三点内径测量法中角度安装误差的校准方法研究

由于操作简便，非接触三点内径测量法常用于工业现场测量。为提高工件内径测量精度，对在安装中无法避免的位移传感器角度安装误差进行分析建模，提出了一个新的考虑角度安装误差的非接触内径测量模型及一种基于多观测位置联立方程的误差校准方法。通过仿真分析了模型中观测位置数、工件内径尺寸与其他参数的设置对校准结果的影响，确认了在观测位置数大于4时即可实现对误差的校准。最终，使用激光位移传感器构建内径测量系统并开展实验，验证了角度安装误差校准方法的有效性，圆工件的内径测量的绝对精度与重复性精度分别在0.6μm与0.4μm以下。     

高精度气动传感器的研究

介绍了气动测量中常用反射式和背压式气动传感器的设计与工作原理。理论分析出提高气动传感器灵敏度和测量范围的方法;通过对影响测量精度主要误差因素的分析,给出相应误差补偿的方法。所研制气动传感器的测量范围为55μm,分辨力为O．02μm,静态误差小于0．25μm,可适用于高精度高分辨力的非接触尺寸测量。     

激光位移传感器在自由曲面测量中的应用

以点激光位移传感器(HL-C211BE)为对象,研究它在自由曲面测量中的应用。针对激光位移传感器因测点倾角代入的测量误差,提出了一个可以量化的倾角误差模型。基于直射式点激光三角法原理,分析了激光光路的几何关系,从会聚光斑光能质心发生的偏移推导出倾角误差模型。随后,用高精度激光干涉仪和正弦规对激光位移传感器进行校对实验,并用误差模型对测量结果进行补偿。结果显示,补偿后激光位移传感器的测量精度得到明显提高。对一非球面凸透镜进行了实验测量,得到了自由曲面测点倾角的计算方法,并用倾角误差模型修正了测量数据。实验结果表明,量化的倾角误差模型可以将激光位移传感器的测量误差控制到小于10μm,满足激光位移传感器在自由曲面测量中应用的要求。     

望远镜面型误差实时测量与补偿研究

为实现大型射电望远镜反射面面型误差实时测量与解耦补偿，满足大口径、高频率射电望远镜对高精度反射面的需求，对望远镜面型误差实时测量与补偿进行了研究。设计了一种基于6SPS型并联机构的面板相对位姿传感器，通过建立数学模型对测量原理进行分析。针对现有主动面调整装置引起的面板误差耦合问题，提出一种6PSS构型调整装置，对安装方式、调整原理进行分析，并建立运动学模型。将面板相对位姿传感器与主动面调整装置相结合，组成反射面精度实时测量与误差解耦补偿系统，建立系统数学模型，通过数值算例验证可行性。     

微小磁性零件装配设备自动标定及误差补偿

为了实现微小磁性零件装配设备的精密装配任务,弥补加工误差和安装误差带来的系统精度损失,提出了一套自动标定及误差补偿方法。依照设备布置形式建立了不同模块的坐标系,提取影响装配精度的全部误差参数。根据导轨的位置关系建立了模块之间的运动转换模型,进而推导出基于装配任务的误差补偿模型。以设备中的机器视觉系统作为测量工具,同时设计专用标定板。通过观察各模块运动前后特征点的坐标变化对误差参数进行测量和辨识,并使用粒子群算法对参数进行了全局优化。基于开发的自动标定软件,在装配区域进行了标定和验证实验。实验结果表明,补偿后的系统开环控制精度在6μm以内,满足设备的装配精度需求。该方法为微小零件装配设备提供了自动化、高精度和高效率的标定方案。     

激光跟踪仪多基站转站精度模型与误差补偿

为实现大空间域激光跟踪仪的高精度测量,本文针对由转站误差导致的激光跟踪仪分时多基站测量精度难保证的问题,提出了基于多站位下单台激光跟踪仪测量误差的转站误差模型与转站参数修正的补偿方法。首先分析了激光跟踪仪测量误差的来源以及具体形式,阐述了激光跟踪仪测量误差影响空间任意点测量精度的具体形式;其次分析了激光跟踪仪的随机测量误差和系统测量误差对多基站转站参数求解精度的影响。在此基础上,建立了考虑随机、系统测量误差的激光跟踪仪多基站转站误差模型和转站参数误差补偿模型。蒙特卡洛仿真结果表明:当激光跟踪仪的长度测量误差为0.5μm/m,角度测量误差为5μm+6μm/m时,最大转站误差为0.174 7mm,补偿后最大转站误差为0.04mm,转站精度提高了77%。分时多基站转站测量实验结果表明:直接转站测量时最大转站误差为0.054 2mm,补偿后转站误差为0.033 1mm,转站精度提升了38.9%。激光跟踪转站补偿后测量精度有明显的提高。     

三维激光球杆仪的系统误差分析与补偿

三维激光球杆仪是自研发的一种被动式激光跟踪仪,为了提高其测量精度,该文系统地分析了其主要误差源及补偿方法。首先,通过误差源分析,基于多体系统误差建模理论对仪器进行精度建模;其次,针对误差补偿模型,提出了简单有效的模型参数测量方法,即多齿分度台和光电自准直仪标定二维转台两测角误差,正倒镜法测量两旋转轴的不相交度,精密三轴机床测量轴系不垂直度误差;最后,完成精度补偿验证。实验结果表明,在有效测量范围内,补偿后的垂直度误差从120μm减小到28μm,X轴定位误差从20μm减小到8μm,Z轴定位误差从60μm减小到25μm。研究表明该补偿方法在不改变硬件结构的基础上能有效提高仪器的精度。     

基于LVDT的台阶信号拾取方法研究

大规模集成电路检测设备之一台阶测量仪是采用LVDT传感器拾取信号的,其设计合理与否直接关系到仪器的测量精度。文中采用零点残余电压补偿,合理地选择LVDT特性曲线的不同区域,以及正确设计传感器的安装角度等措施,有效地减小了零点残余电压的影响,并消除测量机构本身固有的二次项误差,提高了仪器的测量精度。实验表明,该仪器垂直方向测量分辨率可达0．5μm,重复测量精度为±0．015μm．     

自动磁通门经纬仪多参量误差补偿算法

自动磁通门经纬仪是地磁绝对观测中测量磁偏角和磁倾角的重要仪器,在测量过程中目前存在横轴与磁轴的不正交误差、磁通门传感器零点偏移误差、电机停止误差和竖轴倾斜误差。为了提高仪器测量精度,利用多体系统理论建立了磁通门传感器输出模型,并基于该模型和"四位置测量法"提出了磁偏角和磁倾角的多参量误差补偿算法。补偿算法通过传感器指向与地磁矢量正交的4个特定位置进行测量,可消除不正交误差和传感器零偏。针对测量过程中存在的电机停止误差和竖轴倾斜误差,补偿算法可进行修正。利用模拟数据进行的仿真实验表明,补偿算法可对±10′以内的电机停止误差和竖轴倾斜误差进行补偿。在台站完成的实测实验表明,补偿算法使测量误差减小到3″以内,满足仪器测量的需求。     

寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度,研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理,建立了三维仿真模型,应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析,同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示:安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律,可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂,故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿,进而提高传感器的测角精度。     

线结构光传感器的静态性能测试研究

针对线结构光传感器各项静态性能参数对其测量精度影响的问题,设计了一套线结构光传感器静态性能测试方案。在高精度移动平台上使用二级量块、纳米定位台和激光干涉仪,对传感器的重要静态性能参数,如稳定性、重复性和线性度进行了分析,量化了各项静态性能参数对传感器测量精度的影响;以二级量块的工作面作为传感器测试试验的测量表面,结合高精度移动平台实现了传感器全测量区域的测试;使用激光干涉仪对移动平台的定位误差进行了补偿,提高了测量结果的可信度。研究结果表明:传感器需1 h的时间进行稳定来保证测量精度,其测量区域的中部重复性最佳,该区域重复性均值为0.418μm;传感器线性度对其测量精度影响最大,由传感器非线性引起的误差最大为11.2μm。     

安装误差对直齿标准齿轮螺旋线偏差的影响规律

在齿轮螺旋线的实际测量过程中,不同轮齿的螺旋线倾斜偏差经常会出现较大差异。为提高齿轮螺旋线偏差的测量精度,分别研究了芯轴和齿轮安装误差对齿轮螺旋线偏差的影响规律。首先分别建立了芯轴安装偏心和倾斜误差及齿轮安装偏心和偏摆误差对齿轮螺旋线形状偏差和倾斜偏差影响的数学模型,然后制作了平垫圈(1#、4#)和楔角误差分别5.5μm/45mm(2#)和11.9μm/45mm(3#)的楔形垫圈,用于进行齿轮螺旋线偏差的精密测试实验。得到如下结果:采用2#楔形垫圈时,螺旋线倾斜偏差f_(Hβ)的最大值与理论模型相差0.17μm,相对误差为7%;采用3#楔形垫圈时,螺旋线倾斜偏差f_(Hβ)的最大值与理论模型相差0.06μm,相对误差为1%;而两次试验中齿轮螺旋线的形状偏差ffβ基本不变。实验结果表明:齿轮安装偏摆误差对螺旋线偏差的实测结果与理论值基本吻合,从而验证了所建数学模型的准确性。依据本文所建螺旋线的数学模型,得到通过调整齿轮安装偏摆误差补偿各齿轮螺旋线倾斜偏差差异的误差补偿方法。本文研究对于研制高精度标准齿轮具有重要研究意义。     

基于灵敏度分析的立式加工中心批量空间误差建模和补偿

空间误差建模和补偿已成为提高机床精度和性能的最经济方法之一。然而,空间误差元素测量耗时多等原因限制了空间误差补偿的广泛应用。为解决这一问题,提出了一种基于灵敏度分析的空间误差快速建模和补偿方法。首先,基于齐次坐标变换,建立了立式加工中心的广义运动学模型。其次,根据立式加工中心的所有误差元素的灵敏度分析,确定关键误差元素。根据灵敏度分析结果,在误差补偿过程中忽略了影响因子较低的角度误差元素。然后,基于关键误差元素的测量数据和切比雪夫多项式,建立了简化的空间误差快速补偿模型。接着,利用Fanuc数控系统的EMZPS功能开发了实时误差补偿系统,实现了空间误差的补偿。为了评估所提方法的有效性,对每个平动轴和每条体对角线误差补偿前后的测量试验结果进行比较。结果表明,沿三个轴的最大平移误差从21.9μm到6.5μm,最大体对角线误差从81.6μm减小到35.5μm。最后,将该方法应用于一批20个立式加工中心,进行批量补偿试验。所有加工中心补偿后的精度均优于40μm。本研究的创新之处在于将灵敏度分析作为简化机床误差模型的理论依据,并提出了出一种快速批量化建模和补偿的方法。该方法能有效提高误差补偿效率,在未来机床误差补偿的广泛工业应用中有着巨大的潜力。     

基于多传感器测量的孔组位置度快速检测方法

针对工业机器人上关节RV减速器的关键零部件——摆线轮的轴承安装孔组位置度的在线检测问题,提出一种采用多传感器测量系统对其进行快速检测的方法。根据孔组位置关系设计多传感器测量装置,即在同一平面内分布15支传感器来获取摆线轮上3个轴承安装孔的位置信息,通过多支传感器数据组合计算拟合出实测件与标定件的各孔心坐标,并设计位置度的评定算法,求出孔组位置度误差,其测量节拍小于10s,实现了生产线上的在线快速检测。另外,分析测量系统的各个误差来源,并完成了传感器的标定和误差补偿。实验结果表明,该方法测量精度较高,能够满足生产线上使用,并与三坐标测量机的测量结果进行对比验证,测量误差小于4μm,测量结果准确可靠。     

高精度随钻定向测量仪的设计

以3轴加速度传感器和3轴磁通门传感器为基础,设计了定向传感器的角度测量模型;通过对传感器温度误差和安装误差的分析,研究了影响传感器精度的因素,提出了能有效提高传感器测量精度的误差校正模型.以微控制器MSP430F149和模数转换器ADS1216为核心,设计了硬件滤波电路和信号采样电路;基于角度测量模型和误差校正模型,给出了姿态参数采集的主程序和误差补偿程序流程图.实验分析表明:在高温高压强振的环境下该系统达到了所提出的精度指标.     

线结构光测头的误差补偿

提出了一种线结构光测头误差检测和补偿方法。通过对线结构光测头测量精度的误差来源进行系统分析,确定测量过程中光平面倾斜和光条宽度的变化是产生测量误差的主要因素。提出了倾斜误差的检测方法并设计了检测装置,利用改进的BP神经网络模型实现了倾斜误差的补偿。实验证明,该方法能在很大程度上提高线结构光测头测量数据的精度,补偿后的误差接近光平面倾斜角度为零时的误差。     

一种量化的激光位移传感器倾角误差补偿模型

激光位移传感器具有非接触、测量范围大、测量效率高等优点,广泛应用于精密检测领域。然而,倾角误差是影响激光位移传感器测量精度的主要因素之一,为了提高激光位移传感器的测量精度,有必要对其进行分析研究,推导出能够在工程中应用的可量化的倾角误差补偿模型。首先从激光三角法测量原理开始,深入分析了激光光束的光路和光强损失的原因,然后根据光路的几何特征建立了物像方程,从倾角误差机理推导出一种可量化的误差模型,最后用激光干涉仪和正弦规在四坐标测量仪上。对激光位移传感器进行了倾角误差实验,把测量得到的数据经误差模型修正后,可以将传感器的测量精度控制在10μm以内。结果表明,所提出的倾角误差模型准确有效,在对复杂曲面的测量应用中,具有一定的使用和推广价值。