双面平行度测量方法与评定策略研究

摘要

随着现代高端装备制造业的发展，很多精密零件的加工精度已达到微米甚至亚微米量级，这对相应的几何公差的检测和评定提出了很高的要求。几何公差是反映被测要素功能要求的基本检测项目，对零件的加工制造具有重要影响，其中平行度公差往往是一些精密零部件的重要技术指标。它包括线对线、线对面、面对线以及面对面的平行，其中面对面的平行度公差指标应用最为广泛。在最新的产品几何技术规范(GPS)标准体系中，只有平面度、直线度、圆度以及圆柱度公差形成了比较完善的评定标准，目前国际上平行度公差尚未建立统一的评定标准，这在一定程度上制约了这类精密零部件加工和检测水平的提高。
　　针对这一问题，本文提出了一种基于双频激光干涉原理的面对面平行度测量方法，建立了相应的测量数学模型，根据评定方向公差的定向最小区域原则建立了平行度公差的评价体系，并对长平晶两个工作面的平行度进行了测量，最后用根据《测量不确定度评定与表示》(GUM)评定测量结果的不确定度。
　　本文主要完成的研究内容如下：
　　（1）分析新一代 GPS体系中方向公差测量评定的方法和特点，针对被测件的特点设计基于双频激光干涉测量原理的面对面平行度测量系统，实现对被测件的参考面和测量面同时离散采点，并建立相应的测量数学模型，并根据GPS体系规定的用“定向最小区域”原则评定平行度公差。
　　（2）根据测量模型设计二维运动机构，使被测件随位移机构在100mm×100mm的范围内按一定规律运动，并通过有限元分析对运动机构的支撑结构分别作静力学和动力学仿真，优化其结构参数，减小形变量。然后针对运动机构在Z方向引入的耦合位移进行分析，并设计基于MSP430单片机的PSD检测电路以测量和补偿Z向的耦合位移，标定电路板卡的位移分辨力，测量结果优于100nm。
　　（3）基于“GB/T1958/2004产品几何量技术规范(GPS)形状和位置公差检测规定”中四种体现基准原则中的分析法，建立平行度的评价模型，分别根据最小二乘原则、最小区域原则以及公差原则中的最大实体要求拟合基准平面，然后综合分析比较上述几个评定原则的差异及应用对象。
　　（4）搭建平行度测量系统，对210mm×40mm长平晶的两个工作面间的平行度进行测量，同时用PSD电路板实时测量并补偿运动机构Z向的耦合位移，对测量数据进行处理，然后按四种评定原则分别计算平行度误差值，并以最小二乘法为例，根据《测量不确定度评定与表示》(GUM)对平行度测量结果进行不确定度评定，分析不确定度来源并建立测量模型，确定各不确定度分量及其误差传递系数，计算合成扩展不确定度 Ut=2.2μm，k=2。最终得到平行度误差的测量结果为t=(3.8±2.2)μm。
　　综上，本文提出的平行度测量方法适用于具有光学反射面的平行平板结构，建立的测量和评定模型对统一方向公差评定标准有一定指导意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 平行度误差测量的国内外研究现状

1.3 平行度测量国内外研究现状综述

1.4 本文的主要研究内容

第2章 基于双频激光干涉原理的平行度测量系统

2.1 引言

2.2 双频激光干涉测量原理分析

2.3 平行度测量系统结构设计

2.4 平行度测量模型建立

2.5 本章小结

第3章 运动机构耦合位移检测与补偿

3.1 引言

3.2二维位移机构设计与仿真分析

3.3 耦合位移检测电路设计

3.4 本章小结

第4章 平行度评定数学模型

4.1 引言

4.2 平行度误差评定原则分析

4.3 平行度误差评定模型建立

4.4 本章小结

第5章 平行度测量实验与测量不确定度评定

5.1 引言

5.2 平行度测量实验

5.3位移机构Z向耦合位移测量实验

5.4 测量结果不确定度评定

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢