三坐标测量机精度检测评定及虚拟坐标系统研究

摘要

三坐标测量机为一现代大型与多功能的精密量侧仪器,已越来越显示出它的重要性和宽广的发展前景.它具有通用性强、测量准确可靠、数据处理方便等优点,并可融入自动化生产和弹性制造加工系统中.正因如此,国内外有关三坐标测量机的研究甚多,而其中三坐标测量机的误差修正是国际上最引人注目的研究焦点,包括:快速检测方法与检验机具的研究,动态误差修正与热变形误差修正研究等.本论文的主要目的在探讨三坐标测量机之静态、动态误差之评定,及误差修正补偿之实施;研究重点在针对球板检测三坐标测量机精度问题、三坐标测量机动态精度之评定等问题加以探讨;并提出一种检测修正三坐标测量机静、动态误差的新方法,及基于虚拟坐标测量系统的三坐标测量机误差修正与补偿方法之研究.具体研究内容如下:在三坐标测量机与CNC机械的精度检定中,利用球板检定法有一定的应用前景;本论文对使用球板的精度问题进行论述,并深入的对检定时安放在工作台上的位置误差和球板的标定误差对检定结果精度的影响加以分析计算,同时研究重点在减少这两项误差影响的方法,提出球板精度的组合标定法;并对球板检定三坐标测量机精度进行实验研究,设计检定球板球间距的实验系统,并对三坐标测量机的轴向精度进行检定.针对目前业界仍采用传统的静态测量精度理论来评定三坐标测量机的测量精度之不科学的做法,本文提出了三坐标测量机动态精度之评定原理,在对动态测量数据进行误差分离的基础上,根据国际测量不确定度原理,提出动态精度评定指标及其表达式;研制三坐标测量机动态标定实验装置--高精度双频激光测量系统,给出实验结果;并对提出的动态精度之评定原理进行了实验并加以验证.本文同时提出并建立虚拟坐标测量系统理论;该理论从传统的测量仪器出发,将传统仪器的实物标尺系统虚拟化,克服了实物标尺系统加工制造困难,及造价高等缺点,将硬件结构简化;本文提出并建立初步的虚拟坐标测量系统模型,并在三坐标测量机上建立了一维虚拟坐标测量系统的实验模型,初步分析系统的系统误差与其随机误差源.从二维及三维测量仪器衍化出二维及三维虚拟坐标测量系统,以一维虚拟坐标测量系统为基础,但与一维系统又有本质区别.本文提出将虚拟坐标测量系统融入测量仪器初步的精度检定方法;同时,亦建构了独立二维及三维虚拟坐标测量系统模型.本研究同时进行虚拟坐标测量系统原理性之实验研究;以三坐标测量机为平台,设计一维虚拟坐标测量系统,利用该虚拟坐标测量系统,进行原理性实验,并对实验数据进行处理.同时,结合实验结果,对系统的误差进行了分析,并对结果进行误差修正,建立提高系统精度的有效方法.本论文研究并建构的虚拟坐标量测系统,及检测并修正三坐标量机动静态全面的误差修正与补偿技术,为学术界及产业界提供新的方法,深具研究与应用价值.

目录

文摘

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致谢

第一章绪论

1.1三坐标测量机之研究现况

1.2三坐标测量机主要误差源之分析

1.3提高三坐标测量机精度的主要途径与措施

1.4三坐标测量机准静态误差修正概述

1.4.1几何误差修正之研究

1.4.2其它准静态误差的修正

1.5三坐标测量机动态误差概述

1.6一种新型的坐标测量系统-虚拟坐标测量系统

1.7研究课题来源与本论文之主要研究内容

1.7.1研究课题来源与研究目标

1.7.2本论文之主要研究内容

1.8本章总结

第二章球板检定三坐标测量机坐标系统精度问题研究

2.1概述

2.2检定方法与精度

2.3球板位置误差

2.3.1最佳球列方向的确定

2.3.2球列标定值的换算

2.3.3位置误差校正精度

2.4球板精度标定

2.4.1问题提出

2.4.2球板精度组合标定法

2.5球板检定三坐标测量机实验研究

2.5.1测量原理

2.5.2球间距测量不确定度的评估

2.5.3球间距的测量数据处理

2.5.4球板检测三坐标测量机误差实验数据采集

2.5.5三坐标测量机轴向测量精度检测

2.6本章小结

第三章三坐标测量机动态精度评定研究

3.1三坐标测量机动态误差源分析

3.1.1三坐标测量机动态变形分析

3.1.2三坐标测量机动态误差源分析

3.2动态测量误差及评定问题

3.2.1动态测量误差的定义

3.2.2动态测量误差评定指标

3.3动态测量不确定度

3.3.1测量不确定度概述

3.3.2动态测量不确定度

3.4三坐标测量机动态精度评定

3.4.1三坐标测量机精度评定研究分析

3.4.2三坐标测量机动态精度评定原理

3.4.3三坐标测量机动态精度评定实验装置及实际评定结果

3.5本章小结

第四章虚拟坐标测量系统理论研究

4.1一维虚拟坐标测量系统理论

4.1.1时空对应原理

4.1.2虚拟坐标测量系统理论

4.1.3三坐标测量机虚拟坐标测量系统模型

4.2虚拟坐标测量系统精度分析

4.3关于虚拟坐标测量系统

4.3.1虚拟坐标测量系统与一般虚拟仪器的区别

4.3.2三坐标测量机虚拟坐标测量系统与虚拟三坐标测量机的区别

4.4二维及三维虚拟坐标测量系统基本问题探究

4.4.1模型基本假设

4.4.2二维虚拟坐标测量系统模型的建立

4.4.3三维虚拟坐标测量系统基本模型

4.5本章小结

第五章虚拟坐标测量系统原理实验

5.1实验原理及思路

5.1.1实验系统原理图及实图

5.1.2实验仪器设备及其相关特性

5.1.3方法一之具体设计方案

5.1.4方法二之具体设计方案

5.2实验结果及资料的处理与分析

5.2.1测速计稳定性实验

5.2.2光电开关重复性实验

5.2.3光电开关感测区域测试

5.2.4计时系统重复性实验

5.2.5整个系统运行实验

5.3计算结果

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1研究工作总结

6.2研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

自述