虛擬數(shù)字分度頭及其相關(guān)技術(shù)的研究.pdf

1、分度頭是機(jī)械加工中一種常見的測(cè)量設(shè)備，主要用于提供高精度的角度基準(zhǔn)。傳統(tǒng)的數(shù)字分度頭通過分立的數(shù)顯箱實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示，其系統(tǒng)柔性差，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，不便與其他設(shè)備接口，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。隨著技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化程度和系統(tǒng)柔性要求越來越高。特別是各種高效、快速、準(zhǔn)確和易于接口的加工設(shè)備不斷涌現(xiàn)，對(duì)于測(cè)量設(shè)備和方法提出更高的要求。將測(cè)量設(shè)備與計(jì)算機(jī)接口、利用虛擬儀器技術(shù)改造測(cè)量設(shè)備，以及開發(fā)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和誤差分

2、析軟件，能夠方便地將測(cè)量過程與加工過程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在位測(cè)量、提高加工精度和降低生產(chǎn)成本，是測(cè)量設(shè)備發(fā)展的方向。因此，設(shè)計(jì)一種使用靈活、易于與計(jì)算機(jī)接口的虛擬數(shù)字分度頭系統(tǒng)具有重要的使用價(jià)值和意義。 此外，通過在分度頭上加裝傳感器和測(cè)量附件，構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)可以用于各種形狀誤差的測(cè)量與評(píng)定。形狀誤差的測(cè)量與評(píng)定對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和制造的意義十分重要，是檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量、保證加工精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大多數(shù)零件的幾何形狀都包含有圓形或圓柱形的部分，因

3、此圓度和圓柱度是形狀誤差領(lǐng)域里兩種應(yīng)用最廣泛的公差。然而，到目前為止圓度和圓柱度的評(píng)定仍然沒有既符合標(biāo)準(zhǔn)定義又具有快速簡(jiǎn)潔特性的計(jì)算方法。 本文著眼于數(shù)字分度頭的虛擬儀器化設(shè)計(jì)，以及軸類零件的形狀誤差測(cè)量，結(jié)合對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字分度頭的改造項(xiàng)目，提出了一種虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)的原理。該系統(tǒng)基于可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device, CPLD）和通用串行總線（Universal Serial Bu

4、s, USB）接口技術(shù)，通過USB接口實(shí)現(xiàn)硬件電路模塊與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及通訊，使用虛擬光柵數(shù)顯軟件系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的顯示器上虛擬傳統(tǒng)的光柵數(shù)顯系統(tǒng)的功能，包括顯示、置數(shù)、清零、格式轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。分析測(cè)試表明，當(dāng)光柵尺運(yùn)動(dòng)的速度不超過0.3m/s時(shí)，虛擬光柵數(shù)顯的示值誤差小于 0.432um，能夠用于光柵位移傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和顯示。 在虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文還提出了一種虛擬數(shù)字分度頭系統(tǒng)的原理。虛擬數(shù)字分度頭由床身上安裝了

5、兩路光柵位移傳感器的數(shù)字分度頭、虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)和虛擬數(shù)字分度頭軟件組成。工件安裝在分度頭頭座和尾座的頂針之間，通過安裝在數(shù)字分度頭上的圓零位光柵位移傳感器獲得被測(cè)工件的回轉(zhuǎn)角度，通過兩路零位長(zhǎng)光柵位移傳感器獲得被測(cè)工件上被測(cè)點(diǎn)的升程變化量，使用虛擬光柵數(shù)顯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的數(shù)字顯示、處理和記錄，并結(jié)合虛擬數(shù)字分度頭軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和分析。 虛擬數(shù)字分度頭系統(tǒng)可以用于圓度和圓柱度誤差的測(cè)量。針對(duì)圓度、圓柱度誤差的評(píng)定，本

6、文分析了四種圓度誤差的求解方法，包括最小二乘圓（Least Square Circle, LSC）法、最小外接圓（Minimum Circumscribed Circle, MCC）法，最大內(nèi)接圓（Maximum Inscribed Circle, MIC）法和最小區(qū)域圓（Minimum Zone Circle, MZC或Minimum Radius Separation, MRS）法，以及四種圓柱度誤差的求解方法，包括最小二乘圓柱（L

7、east Square Cylinder, LSCY）法、最小外接圓柱（Minimum Circumscribed Cylinder, MCCY）法，最大內(nèi)接圓柱（Maximum Inscribed Cylinder, MICY）法和最小區(qū)域圓柱（Minimum Zone Cylinder, MZCY）法。利用Voronoi圖的性質(zhì)，通過證明推導(dǎo)得出了關(guān)于MCC圓心，MIC圓心和MZC圓心的判據(jù)，該判據(jù)嚴(yán)格符合圓度誤差的定義，同時(shí)具有明

8、確的幾何意義。根據(jù)該判據(jù)，對(duì)于平面上測(cè)量點(diǎn)集 ，其最小外接圓心位于 的最遠(yuǎn)Voronoi圖上，可以通過保證外接圓半徑不斷減小的幾何搜尋方法得到；其最大內(nèi)接圓心位于 的最近Voronoi圖上，通過保證內(nèi)接圓半徑不斷增大的分區(qū)域幾何搜尋方法得到；其最小區(qū)域圓心可以通過在 的最遠(yuǎn)、最近Voronoi圖的K型交點(diǎn)上，可以通過沿最遠(yuǎn)Voronoi圖所構(gòu)成的樹狀結(jié)構(gòu)的逐層搜尋得到。圓柱度誤差評(píng)定的研究基于雙曲柱面對(duì)圓柱面的近似。由于雙曲柱面方程是關(guān)