基于单目激光的小球冠形球面参数测量方案研究

作者:唐丹丹;袁晖;余晓流 刊名:安徽工业大学学报(自然科学版) 上传者:邱少波

【摘要】针对已有检测方法无法满足小球冠形构件表面形貌轮廓高精度测量需求的问题,提出基于单目激光头的小球冠形构件形貌轮廓精密测量方案。设计1种用于测量高精度小球冠形构件表面形貌轮廓的检测装置,采用基于共基面原理的两自由度高精度气浮定位平台减少定位误差;对得到的球面点坐标采用最小二乘法拟合球面半径,在拟合过程中改变目标函数,将拟合计算转化为求解广义特征向量。结果表明采用提出的测量方案检测小球冠形构件表面形貌轮廓可获得较高的测量精度。

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随着科学技术的不断发展,在精密仪器、仪表、机械制造及航空、航天设备和国防装备中,高精度球形构件(如陀螺仪中的转子,要求其球面轮廓度的精度在0.1m以内)的应用越来越广泛[1]。在实际工程应用中,高精度球形构件往往不是一个完整的球体,而是具有各种微结构(如小沟槽)的小球冠状物体,如供油泵中的高精度配油盘,表面形貌轮廓呈小球冠状,其形状精度、位置精度及球径的尺寸精度对所在仪器设备的性能影响很大。对于具有微结构的高精度小球冠形构件而言,已有检测方法无法满足其表面形貌轮廓精密测量的需求[2](通常其测量精度为微米级)。笔者尝试设计1种基于高精度单目激光测距仪的球冠半径测量装置,采用球面半径拟合算法实现小球冠形构件表面参数的高精度测量。1小球冠形构件表面参数激光测量装置的结构设计基于单目激光头的小球冠形构件表面形貌轮廓非接触式精密测量方案如图1。待测小球冠形构件由精1.1定位平台定位平台按照导轨形式可以分为机械式、磁悬浮式和气浮式等。机械式定位平台多采用伺服电机驱动、滚珠丝杠螺母传动的结构方式,由于存在丝杠螺母(或齿轮齿条)等中间传动环节,传动中不可避免地存在运动间隙。两自由度精密定位平台采用滚动直线导轨支承,由于存在摩擦、磨损,平台精度不易长时间保持,且维护困难。磁悬浮式和气浮式导轨没有摩擦,能实现超精密定位,但是磁悬浮式导轨需要高性能的控制系统,制造成本较高,且是非线性局部稳定系统,悬浮磁场和线性驱动磁场间易相互影响;气浮式导轨没有上述缺点,还具有结构简单、质量轻便和设计灵活等优点[3]。激光测量装置通常采用叠加式导轨定位平台,在其垂直方向上存在不可忽略的定位误差,达不到微米级测量要求。因此本装置中采用1种基于共基面原理的两自由度高精度气浮定位方法,同时针对定位平台的共基面气浮导轨机构方案进行定位平台的动态结构优化设计,寻求减少由于静动态特性而引起的定位误差,从原理上解决系统在垂直方向上的精确定位问题。1.2激光头装置测量装置中位移传感器可采用激光测距仪[4]。拥有多个激光头的激光测距仪在测量时效率较高,但是激光头之间的位置会相互影响,使得测量精度降低。单目激光测距仪不受激光头间相互位置精度的影响,虽然效率相对多激光头的激光测距仪稍低,但是测量精度高,故本测量装置中采用单目激光测距仪。图2激光检测原理Fig.2Laserdetectionprinciple图1基于单目激光头的小球冠形表面形貌轮廓非接触式精密测量总体方案Fig.1Pverallconstructionofanon-contactprecisionmeasurementsolutionofsurfacetopographyandprofileofthesmallsphericalcapbasedonmonocularlaserhead测量装置框架待测小球冠构件两自由度三维高精度定位平台测量装置底座x/y/z向直线电机x/y/z向光栅数据高精度激光位移传感器运动控制卡数据采集卡计算机zyx2小球冠形构件表面参数激光测量装置的检测原理该测量装置采用非接触检测方案,利用高精度激光测距与光栅尺配合的方法实现球面多点三维坐标的检测,通过计算获取球面整体的半径值,检测原理如图2所示。待测小球冠形构件被放置在1个两自由度高精度定位平台上,并可随定位平台在x,y方向上运动。x,y方向导轨采用共同基准面,可保证定位平台面在垂直方向上的定位精度。实际测量时,在z轴方向导轨上安装高精度的激光位移传感器,该传感器只随导轨作z方向运动,以适应工件尺寸变化。激光位移传感器与密定位机构安置在1个基于共基面原理的两自由度

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