基于轨迹球测量技术的研磨球体运动分析

摘要

在研磨球体实际加工过程中，球体由于加工条件以及球体尺寸的限制，会出现打滑等现象，使得球体不能够按照理想状态进行运动，从而影响研磨球体的加工精度。而通过对于球体运动状态和轨迹的检测可以帮助加工者分析球体加工特性，为进一步优化球体研磨加工参数提供理论依据。
　　 本研究从研磨球体运动状态的检测出发，设计开发基于MEMS陀螺仪和数字加速度计为核心的轨迹球测量系统。系统通过四元算法融合角速度信息和加速度信息来获取轨迹球姿态角和运动状态，实现了研磨球体的在线检测。本文主要工作和成果如下：
　　 (1)根据陀螺仪、加速度计特性要求，设计轨迹球测量系统硬件电路。包括信号采集、数据储存等模块设计。
　　 (2)设计轨迹球测量系统姿态解算方案及技术实现路线。通过比较欧拉算法、方向余弦算法、四元融合算法，最终选择四元融合算法作为本系统的姿态融合算法，其特点是无运算奇点、计算量小。
　　 (3)对MEMS陀螺仪和数字加速度计测量误差进行补偿。通过建立MEMS陀螺仪误差模型，并利用卡尔曼滤波算法对MEMS陀螺仪漂移进行补偿，补偿之后陀螺仪的Allan方差值较补偿前有明显减小；利用最小二乘法拟合实验数据的方法补偿数字加速度计的温度漂移，经测试，温度漂移补偿之后加速度计的零点偏移在[-4.5mg，4mg]之间。
　　 (4)设计轨迹球测量系统软件。轨迹球测量系统软件分为上位机与下位机部分，其中上位机软件基于Labview平台开发设计而成。
　　 完成轨迹球测量系统设计之后，利用轨迹球测量系统进行研磨球体运动分析实验。通过设置不同的加工条件，得出不同加工条件对于研磨球体运动状态的影响。实验结果证明双自转研磨方式下，球体运动状态主要取决于研磨内外盘的转速比。