基于三维激光扫描的移动大尺寸圆柱体工件长度快速检测系统

针对移动大尺寸圆柱体工件两端的表面形貌特征,利用三维激光扫描仪设计了一种快速长度在线检测系统。基于三维激光扫描仪可在短时间内连续高速获取大量测量数据的特点,系统在虚拟环境下构造出自适应测量形状的虚拟测量基准面,采用二维误差分离方法抑制系统误差和运动误差,识别定位工件两端端点并计算其到虚拟测量基准面的位移;最后结合多传感器融合模型获取三维位移场测量结果。另外,测试前用三坐标测量机精密测量过的相似形状圆柱体工件对系统进行了校准修正。为验证系统的精度和可靠性,分别对处于（1 000±25）mm内不同直径的圆柱体工件进行了长度检测。结果显示,系统可在1 s完成直径约为50 mm工件的长度测量,检测分辨力为0.010 mm,检测精度达到0.050 mm。实际运行结果表明,该设计系统具有高自动性和高效性,可满足在线生产中对大尺寸工件控制和检测的要求。     

二维线性模组空间运动误差实时测量

为实时检测二维线性模组的运动误差，搭建了误差实时测量系统。该系统由四自由度运动误差测量模块、滚动角误差测量模块和线性光栅尺组成，实现单轴六自由度运动误差测量。基于齐次坐标转换矩阵（Homogeneous Transformation Matrix,HTM）原理构建二维模组的空间误差模型，对功能点的实际空间位置进行表示；完成测量系统标定实验，并基于阿贝-布莱恩原则处理实验数据完成比对实验。最终，测量系统的定位误差、直线度误差和角度误差测量精度分别达到±1.2μm，±1.3μm和±1′′，并根据空间误差模型分析二维线性模组XZ平面对角线位置的测量误差。结果表明，使用二维线性模组空间误差模型求解后，XZ平面对角线位置的测量误差由68μm降至13μm，证明采用该系统进行线性模组误差测量是有效的；此外，因为加载状态下二维线性模组各位置的运动误差会改变，为验证测量系统能够实时测量出线性模组的空间误差变化，在Z轴滑块上加装质量为2 kg的标准砝码进行对照实验。结果显示，在使用二维线性模组空间误差模型求解后，XZ平面对角线位置的测量误差由56μm降至14μm。     

五轴机床旋转轴误差的在机测量与模糊径向基神经网络建模

考虑五轴机床中的旋转轴误差会影响加工精度和在机测量结果,本文研究了旋转轴误差的在机测量与建模方法。介绍了基于标准球和机床在机测量系统的旋转轴综合误差测量方法,采用随机Hammersely序列分组规划旋转轴的测量角位置,通过自由安放策略确定标准球初始安装位置。然后,引入模糊减法聚类和模糊C-均值聚类(Fuzzy C-means,FCM)建立旋转轴误差的径向基(Radial basis function,RBF)神经网络预测模型。最后,进行数学透明解析,从而为误差的精确解析建模提供新途径。利用曲面的在机测量实例验证了提出的旋转轴误差测量与建模方法。结果表明:利用所建模型计算的预测位置与实测位置的距离偏差平均值为9.6μm,最大值不超过15μm;利用所建模型补偿工件的在机测量结果后,其平均值由32.5μm减小到13.6μm,最大误差也由62.3μm减小到18.6μm。结果显示,提出的测量方法操作简单,自动化程度高;模糊RBF神经网络的学习速度快、适应能力强、鲁棒性好,能满足高度非线性、强耦合的旋转轴误差建模要求。     

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。     

轮廓扫描式螺纹中径测量的两规校准补偿方法

轮廓扫描式螺纹参数测量的过程中,由于工件和探针的装夹会不同程度地产生定位误差,导致中径测量结果不准确.然而各项定位误差的准确测量十分困难,加上误差模型的不完备,现有的相对测量方式(单规校准)只能测量与校准规尺寸相差不大的螺纹量规.特别是批量检测螺纹规时需要准备一批不同尺寸的校准规,且花费了很多的校准时间.基于齐次坐标变换建立了定位误差对中径结果影响的数学模型.依据该模型,利用两个不同尺寸的螺纹规校准定位误差,再对中径结果进行补偿.此外对最终结果的不确定度进行了分析,并给出了减小测量不确定度的校准规选用方法.实验结果显示,此方法只需要两个校准规,就能确保M15 ～ M50范围内螺纹的定位误差对中径结果的影响小于1μm.相比于单规校准,两规校准补偿方法虽然增大了测量结果的不确定度,但有效减小了校准规数量和对工件、探针定位精度的要求.     

轴类零件智能检测仪设计

人工检测大尺寸轴类零件制约了产品质量和检测效率的提高。文中开发的智能检测系统可完成轴颈尺寸和形位误差的检测,测量系统分辨率达1μm,提高了检测精度和效率。     

基于图像测量技术的复杂工件自动检测系统研究

汽车喷油器底座是一种具有强反射表面的由金属铸造冲压而成的复杂工件,要求对其内径尺寸进行精密测量。设计了一种适于背向照明的LED光源,使被测边缘能够清晰地体现在测量图像上;提出了一种新的圆的边缘提取算法,完成了圆的快速检测;实现了边缘的亚像素快速定位,提高了测量精度。实验结果表明,系统对工件进行在线测量的精度优于7μm,重复性优于2μm,测量速度为2件/s。     

主动测量磨削过程中加工尺寸精度的试验研究

本文对主动测量外圆切入磨削过程中的加工尺寸精度进行了试验研究。考察了工件初始尺寸输入误差、工艺系统固有误差、切入进给速度对加工尺寸精度的影响。研究结果认为:在外圆切入磨削过程中,主动测量控制方式能很好地消除工艺系统的热变形、砂轮磨损、修整补偿误差等因素的影响,使工件初始尺寸输入误差和工艺系统的有关系统性误差不成为影响加工误差的主要因素;切入进给速度对加工尺寸精度有一定的影响。     

基于机器视觉的熔融沉积成型几何质量在线检测方法

几何尺寸精度是影响工件质量的关键因素。针对熔融沉积成型连续制造过程,提出了一种基于机器视觉技术的几何质量在线检测方法。利用CCD图像传感器构建了熔融沉积成型过程图像采集系统;采用图像处理技术获取工件轮廓信息,完成以像素为单位的几何尺寸测量。通过尺寸标定将图像尺寸转化为工件的实际物理尺寸,从而可以与设计模型的理论尺寸进行比较,计算制造误差,为生产者判断熔融沉积成型工件几何质量是否满足要求提供了新的思路。     

基于图像特征的平面二维尺寸测量系统

分析图像处理在测量零件的平面二维特征尺寸中的应用价值,针对大型工件二维平面特征的测量对象,设计了一个基于图像特征识别的非接触式光学尺寸测量系统。采用网格构造分区处理的图像拼接方法扩展测量范围,实现了对大型特征的完整采集。采用校正标定方法和相机校正方法减小测量系统的机械装置、光学系统等误差,提高测量精度。在对二维平面关键特征分析的基础上,利用亚像素处理提高算法精度,使最终测量精度可达到微米级。试验结果表明,该测量系统图像拼接精度可达0.8μm,测量精度高于5μm。该系统为图像处理在工业上大型工件尺寸检测方面的应用开发提供了有效的基础方法。     

Self-calibration and compensation of setting errors for surface profile measurement of a microstructured roll workpiece

Microstructured roll workpieces have been widely used as functional components in the precision industries. Current researches on quality control have focused on surface profile measurement of microstructured roll workpieces, and types of measurement systems and measurement methods have been developed. However, low measurement efficiency and low measurement accuracy caused by setting errors are the common disadvantages for surface profile measurement of microstructured roll workpieces. In order to shorten the measurement time and enhance the measurement accuracy, a method for self-calibration and compensation of setting errors is proposed for surface profile measurement of microstructured roll workpieces. A measurement system is constructed for the measurement, in which a precision spindle is employed to rotate the roll workpiece and an air-bearing displacement sensor with a micro-stylus probe is employed to scan the microstructured surface of the roll workpiece. The resolution of the displacement sensor is 0.14 nm and that of the rotary encoder of the spindle was 0.15r~. Geometrical and mathematical models are established for analyzing the influences of the setting errors of the roll workpiece and the displacement sensor with respect to the axis of the spindle, including the eccentric error of the roll workpiece, the offset error of the sensor axis and the zero point error of the sensor output. Measurement experiments are carded out on a roll workpiece on which periodic microstructures are a period of 133 i~m along the circumferential direction. Experimental results demonstrate the feasibility of the self-compensation method. The proposed method can be used to detect and compensate the setting errors without using any additional accurate artifact.     

用动态水平基准测量系统实时测量船体横扭角和纵挠角

设计了动态实时水平基准测量系统,讨论了用该测量系统测量远望号测量船变形角的可行性及利用该系统测量船体横扭角和纵挠角的原理和误差项。依据测量船的实际需要确定了动态水平基准测量系统的关键技术指标,并分析了测量船体横扭角和纵挠角的测量精度。分析结果表明：系统对船体横扭角和纵挠角的测量误差均不大于3″,测量距离理论上不受任何限制,远大于200 m(测量船船体长度)。利用现有外场试验条件进行了码头停靠状态下远望号测量船两测量点间的船体横扭角和纵挠角测量试验,结果表明：利用动态水平基准测量系统实时测量船体横扭角和纵挠角的方法切实可行,不仅提高了测量精度,而且克服了传统的大钢管基准测量法体积大、重量沉,装调及维护困难等缺陷。实验显示,该动态实时水平基准测量系统的应用领域相对广泛。     

光学非球面坐标测量中位姿误差的分离与优化

在开发了一种专用非球面坐标测量机的基础上,分析了测量系统与工件在空间6个自由度上的相对位姿误差的关系,建立了位姿误差的数学模型。利用模型参数估计的方法,建立了测量数据与名义面形之间基于最小二乘法的优化模型,得到了上述位姿误差的最小二乘估计,并据此对工件面形误差测量结果进行校正,消除了位姿误差的影响,提高了测量结果的可信度与精度,最终使测量系统精度达到0.5 μm,重复精度优于0.3 μm。     

Repetitive Measurement and Compensation to Improve Workpiece Machining Accuracy

Achieving workpiece high accuracy at low cost is one of the greatest challenges in the manufacturing industry. A repetitive error measurement and compensation scheme to improve the workpiece diameter accuracy for machining centres is des-cribed. The scheme entails an on-machine measurement and error compensation technology between machining processes. The workpiece diameters are measured along the workpiece length by using a fine touch sensor. The workpiece diameters in the compensation program are modified for implementation of next pass error correction. The technology is realised on a CNC turning centre. This method works well in hard machining and turned workpieces with large length–diameter ratios where the machining process induced errors are significantly greater than errors from other sources. It demonstrates that the work-piece can obtain maximum possible machining accuracy by this repetitive measurement and compensation technique.     

基于视觉技术的边缘跟踪轮廓测量系统

激光跟踪测量法在测量工件轮廓方面具有精度高、实时快速、动态测量、操作简单等特点,越来越广泛的被应用.但激光光束易受气象条件影响,不能全天候使用.针对这一问题,介绍了一种基于视觉技术的工件轮廓的跟踪测量,根据系统硬件平台的具体结构采用边缘跟踪轮廓测量可以加快处理速度,对于图像的实时处理有很大好处.基于视觉的边缘跟踪轮廓测量系统利用传统的图象处理,边缘检测和曲线拟合技术,对CCD拍摄下来的图像进行边缘轮廓提取.并像结束点的坐标.结合可重组测量技术达到了高精度检测工件合格率的要求.     

交变光场时空耦合型位移测量系统的研制

针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题,设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上,建立了该系统的理论模型和误差模型,通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因,根据误差来源改进了测量装置的结构,优化了相应的参数。实验结果表明:在180mm测量范围内,用栅距0.6mm的测量系统实现了±0.4μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题,结构简单、安装方便,为光学位移测量提供了新思路。     

基于LabVIEW的数控机床形位误差精密测量系统

为了实现对数控机床形位误差精密测量,采用扭簧表及大理石平尺搭建导轨直线度测量装置,以HEIDENHAIN绝对式直线光栅尺为定位精度测量硬件,PC端通过数据采集卡获取测量信息,并基于LabVIEW开发虚拟仪器,实现了对数控机床导轨直线度、定位精度和重复定位精度项目的测量;提出了一种基于LabVIEW平台构建数控机床形位误差测量系统的新方案。在相同的检测参数下,对同一台数控机床进行检测,并与激光干涉仪测量的数据比对,激光干涉仪采用GB/T17421.2-2000统计分析方法,实验结果表明,本系统具备较高的测量分辨率和测量精度。     

Development of a fast mechanical probe for coordinate measuring machines

To decrease inspection times of workpieces, not only do coordinate measuring machines (CMMs) need to operate faster, but also the mechanical probing process requires attention in this field. This paper shows that impact forces attributable to probing are much higher than generally accepted measurement forces, which can result in workpiece damage. Furthermore, it is shown that probe tip bouncing can slow down the probing process and requires mechanical damping to reduce it. Based upon these findings, a fast mechanical probe system has been developed, equipped with an optical measurement system able to measure six degrees of freedom at high speed. The probe system is suitable for high-speed, single-point measurements as well as scanning purposes. The measurement uncertainty of the prototype is approximately 1 μm for probing speeds up to 70 mm/s.     

环面蜗轮滚刀测量机

基于圆柱坐标系测量原理,采用电子展成法研制了一台环面蜗轮滚刀测量机用于环面蜗轮滚刀的快速测量。该测量机通过对3个运动轴的闭环控制,使测头沿着被测误差项的路径运动来获取数据并完成测量。介绍了测量机的工作原理与构成,其为卧式结构,由花岗石床身、精密密珠主轴、滑动导轨和闭环控制系统构成。开发了环面蜗轮滚刀测量软件,实现了环面滚刀各项误差的快速精密测量。实验显示:该仪器可以对切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差和容屑槽周节误差进行测量,测量的合成不确定度分别为2.35、2.45和2.94μm,均小于圆柱齿轮滚刀标准GB/T6084-2001中对应误差项公差的1/3,满足AA级精度的环面滚刀各项误差的测量要求,验证了该测量机的功能与可靠性。该测量机也可以用于环面蜗杆、圆柱蜗杆及圆柱滚刀的测量。