基于ccd的彈簧管剛度測量裝置設計論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在航天、航海、航空領域常用的控制器件電液伺服閥和導向器件撓性陀</p><p>　　螺中廣泛地使用精密彈性元件作為力敏單元獲得反饋信號。這些彈性元件的</p><p>　　剛度參數對相對應的控制器件、導航器件的性能影響很大。隨著制造技術水平的提高以及航空航天技術的不斷發(fā)展，對精密彈

2、性元件的加工精度和加工效率提出了更高的要求，所以研究以彈簧管為代表的該彈性元件的剛度精密測量技術對增強國防實力有著重要意義。</p><p>　　本文首先綜述了國內外彈簧管剛度測量技術的發(fā)展概況，并對國內彈簧</p><p>　　管剛度測量技術的研究現狀和存在的問題進行了比較全面的總結。為了展開</p><p>　　對彈簧管剛度測量技術的基礎性研究，本文根據彈簧管的

3、設計指標成功地研</p><p>　　制了能夠實現自動加載、多點測量，并可自動地輸出剛度曲線的剛度測量系</p><p>　　統(tǒng)。為了提高測量系統(tǒng)測量的精度，在測量系統(tǒng)的實驗數據處理中提出了一</p><p>　　種基于灰色系統(tǒng)理論的粗大誤差判別法。</p><p>　　其次，為了解決新型號大剛度值彈簧管剛度測量中重復測量精度差的問題，從測量

4、系統(tǒng)的測量原理入手，在分析測量系統(tǒng)中誤差源的基礎上，重點研究了測量系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的彎曲變形以及環(huán)節(jié)間的接觸變形對測量精度的影響，基于齊次坐標變換和矢量鏈法建立了彈簧管的變形與傳感器實測變形之間的關系，并建立了誤差補償模型?？紤]接觸表面形貌建立了接觸力學模型和協調接觸方程，并用數值法求解接觸參數。</p><p>　　最后，本文對彈簧管剛度測量作了大量的實驗研究。結果表明：接觸變形對測量精度的影響最大，臺板的彎曲變形

5、的影響在其次，而其余環(huán)節(jié)的彎曲變形的影響則很小。另外，實驗還表明，隨著彈簧管剛度值的增大，變形對測量結果的影響程度隨之增大。在對兩種不同測量方法的比對實驗中發(fā)現，對于大剛度值彈簧管，使用新方法會獲得較高的重復測量精度，而對小剛度彈簧管的影響不大。本文通過對不同試件有針對性地選擇測量方法，提高了測量效率和重復測量精度，為該類彈性元件的批量生產奠定了基礎。</p><p>　　關鍵詞 彈簧管；剛度；精密測量；誤差補償

6、；接觸變形</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Precise elastic parts are widely used as sensitive parts to gain feedback signals in the controlling instrument such as electro-hydraulic serv

7、o valve or then avigation system such as flexibleness gyro in the field of astronavigation,navigation and aviation. Their stiffness parameters directly correlated with the performances of corresponding system. Therefore,

8、 not only have a rather high standard been set for dimensional precision and geometrical precision of them,but also certain demands are ma</p><p>　　This dissertation firstly summarizes the development of sti

9、ffness-measuring instrument for spring tubes, and sums up the current research status and problems in the stiffness measurement. In order to expand the theory research on it, one stiffness-measuring system is developed s

10、uccessfully according to the design index of the spring tubes, which can automatically load and output stiffness curve by muti-points measurement. Then one new method for deleting gross error based on Grey System Theory

11、i</p><p>　　Secondly, in order to research on the poor accuracy in stiffness measurement of the stiffer spring tubes, measuring principle is presented and error sources in the measuring system are analyzed. I

12、n the measuring device,bending deformation of all parts and contact deformation between parts joined together are key factors affected the measuring accuracy. So relation between the theoretical deformation of the tubes

13、and the detecting deformation is set up based on homogeneous coordinate transformati</p><p>　　Thirdly, one new method is proposed to measure the stiffness of the stiffer spring tubes, in which special clamp

14、are designed for the directly measuring of the angular deformation of the spring tubes. In the new measuring device, the bending deformation and contact deformation occurred before can be avoided and the repeatability ac

15、curacy can be improved evidently, which is proved by error analysis for new device and experiments.</p><p>　　Finally，lots of experimental studies on stiffness measurement of spring tubes are carried out. The

16、 results show that contact deformation affects the measuring accuracy seriously, the bending deformation of the foundation plate is the second factor and other deformation can be ignored. On the other hand, the experimen

17、tal results are also show that as the values increase errors caused by deformation will wicked. By the experiments of comparison of two measuring method, one conclusion can be drawn,</p><p>　　Keywords Spring

18、 tubes； Stiffness； Precision measurement； Error compensation； Contact deformation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　第1章 緒論- 1 -</p>&

19、lt;p>　　1.1 彈簧管概述- 1 -</p><p>　　1.2 彈簧管剛度檢測技術的發(fā)展及研究現狀- 3 -</p><p>　　1.3 彈簧管剛度測量中相關理論綜述- 4 -</p><p>　　1.4 本課題的主要研究內容- 4 -</p><p>　　第2章 彈簧管剛度測量系統(tǒng)的研制- 6 -</p>

20、;<p>　　2.1 彈簧管的技術指標- 6 -</p><p>　　2.2 彈簧管剛度測量系統(tǒng)總體方案的確定- 6 -</p><p>　　2.3 測量臺架及測量夾具和調整裝置的結構設計- 7 -</p><p>　　2.4 數據測量元件的選擇- 11 -</p><p>　　2.5 剛度測量的主要步驟- 12 -&

21、lt;/p><p>　　2.6 測量系統(tǒng)應用概況- 13 -</p><p>　　第3章 彈簧管剛度測量中誤差分析與建模- 15 -</p><p>　　3.1 單臂施力多點法彈簧管剛度測量系統(tǒng)中的誤差源分析- 15 -</p><p>　　3.2 測量原理誤差- 16 -</p><p>　　3.3 彈簧管剛度

22、測量系統(tǒng)的變形誤差分析與建模- 18 -</p><p>　　第4章 提高彈簧管剛度測量精度的方法研究- 19 -</p><p>　　4.1 結構優(yōu)化法提高測量精度的研究- 19 -</p><p>　　4.2 誤差補償法提高測量精度的研究- 19 -</p><p>　　4.3 粗糙表面的數值模擬- 19 -</p>

23、;<p>　　4.4 表面形貌數值模擬方法的選擇- 20 -</p><p><b>　　結論- 21 -</b></p><p><b>　　致謝- 22 -</b></p><p>　　參考文獻- 23 -</p><p>　　附錄1- 24 -</p>&

24、lt;p>　　附錄2- 34 -</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 彈簧管概述</b></p><p>　　1.1.1 彈簧管的用途與結構</p><p>　　電液伺服控制系統(tǒng)，具有控制功率大、控制精度高、響應快速等一系列</p&g

25、t;<p>　　優(yōu)點，被廣泛的應用在航天、航空、航海、飛航導彈和運載火箭等方面的航行控制上。在電液伺服控制系統(tǒng)中，電液伺服閥作為系統(tǒng)的核心元件，起到電液轉換控制的作用。</p><p>　　在電液控制系統(tǒng)中電液伺服閥的作用是將幾毫安的微弱電流控制信號轉換成幾十馬力以至更大的液壓功率輸出，驅動各種各樣的負載，進行位置</p><p>　　控制，速度控制或施力控制等。一般地，電液

26、伺服閥由三級組成，即輸入級、</p><p>　　中間級和輸出級。輸入級的作用是完成電信號到機械位移量的轉換，也稱電</p><p>　　—機轉換器。它由電氣——力或力矩轉換（一般是力馬達或力矩馬達）和力</p><p>　　或力矩——位移轉換器（通常為彈簧或扭簧、彈簧管等）共同組成。中間級</p><p>　　又稱前置級，為小功率液壓放大器

27、。輸出級也叫功率級，一般為大功率四通</p><p>　　滑閥液壓放大器。上半部分是力矩馬達。</p><p>　　電液伺服閥的典型結構下半部裝有四通滑閥，中間裝噴嘴擋板，這三者通過反饋桿建立協調關系。力矩馬達主要由控制線圈、永久磁鐵、導磁體和銜鐵組件組成，其作用是將電控信號轉換為機械運動。其中，銜鐵組件是力矩馬達中的關鍵部件，由銜鐵、彈簧管、擋板和反饋桿組成。銜鐵固定在彈簧管上端，彈簧管

28、是一個薄壁彈性零件，具有特定彈力，其下端有個法蘭盤，用螺釘緊固在閥體上。它不僅作為銜鐵的彈性支座，還將電液伺服閥的液壓部分和電氣部分隔離密封。在銜鐵左右兩臂上各套有控制線圈。銜鐵兩臂的端部與上下導磁體形成四個工作氣隙。當磁通通過氣隙時，在氣隙處產生電磁吸力，磁通大，電磁吸力也大。 </p><p>　　力矩馬達在結構上是左右對稱的，所以當有控制電流通過線圈時，即</p><p>　　12I

29、 ≠ I時，銜鐵轉動，擋板向某一方向偏擺，導致通過某一噴嘴的液流阻力加大，另一個減小，使兩噴嘴前腔形成壓力差，從而推動了閥芯移動。閥芯中槽與反饋桿球頭嚙合，而反饋桿是一根具有特定彈力的金屬桿，閥芯的移動使之變形。當反饋桿變形產生的力矩加上彈簧管變形產生的力矩與力矩馬達在電流作用下產生的力矩達到平衡并且反饋桿球頭對閥芯的反作用力及閥芯開口后的液動力平衡閥芯兩端的壓力差時，閥芯停止運動而保持其位移量。這就是電液伺服閥的工作原理。由伺服閥的工

30、作原理可知，彈簧管作為力反饋元件，其剛度特性將直接影響到伺服閥的性能。</p><p>　　彈簧管是一種中空的薄壁型彈性零件。彈簧管的內徑和頭部外徑分別與擋板大端外徑和銜鐵中孔成過盈配合，各配合部位的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度要求都很嚴，內、外圓的圓度和圓柱度要求均在 0.001mm 之內。彈簧管薄壁處的厚度約為 0.06mm，要求薄壁管厚度均勻，內外表面不能有任何輕微的劃傷和刀痕，彈簧管的薄壁是決定彈簧管剛

31、度值的重要部位，是彈簧管的最關鍵部位。</p><p>　　1.1.2 彈簧管的制造工藝與剛度測量的重要性</p><p>　　在彈簧管的結構設計時，首先根據性能要求確定該型號閥中彈簧管的剛度值 K，根據 K 值的大小通過計算得到直接決定彈簧管剛度值大小的薄壁段的厚度尺寸。但由于彈簧管結構的復雜性及其材料的不一致性和不均勻性的等原因，使設計要求中提出的壁厚值僅能作為參考。因此在加工過程中，

32、彈簧管薄壁部分的外徑只控制粗加工尺寸，最終尺寸以滿足設計規(guī)定的剛度值為準。一般工藝上采用少量磨去薄壁外徑從高往低逐步調整逼近的辦法得到設計要求的剛度值。</p><p>　　目前國內所有伺服閥生產廠家的彈簧管的加工工藝過程如下：首先對加工彈簧管的用料進行熱處理并進行晶粒度和金相組織檢查；然后進行粗加工，車出彈簧管的外形并鉆出中孔，留出需要繼續(xù)進行半精加工和精加工部位的加工余量；在半精加工中用專用硬質合金絞刀分粗、

33、精兩次絞削內孔并留出研磨余量，精車彈簧管頭部外圓達到圖紙尺寸要求，精車彈簧管的薄壁段的外圓并留出磨削余量；最后進行精加工，首先采用珩磨或研磨的方法對中孔進行光整加工，之后先粗后精磨削薄壁處的外圓，經過精磨之后的薄壁外徑還需要留有一定的余量，這時需要測量彈簧管的剛度是否滿足設計規(guī)定的彈簧管的剛度，如果不滿足（大于設計規(guī)定值）就需要對此外徑進行少量磨削后再進行剛度測量，重復以上步驟直至測量的剛度值滿足設計為止。從彈簧管的加工工藝過程可以看出

34、，對彈簧管的剛度進行測量屬于整個彈簧管精加工工藝的一部分，測量的目的是指導對彈簧管的薄壁進一步精加工，而不是傳統(tǒng)意義上給出是否合格的信息。因此剛度測量就在彈簧管的加工工藝上起了重要的作用，測量的效率和測量精度成為影響彈簧管加工效率和加工質量的關鍵因素。</p><p>　　在彈簧管的測量中，彈簧管的真值是無法獲得的。為了保證測量對加工的正確指導，我們對剛度值的重復測量精度提出了一定的要求。以某型號彈簧管為例，若其

35、剛度值為 K，則該彈簧管剛度值在設計上中最大偏差一般不超過±3%K（即剛度測量值在 K±3%K 范圍內的彈簧管為合格品），在剛度測量中的不重復測量誤差應該低于這個數量級，通常取該值的 1/3～1/10，此處我們取測量的不重復誤差要小于±1%。彈簧管剛度的真實值和測量值之間的差值屬于系統(tǒng)誤差，通過對伺服閥進行調試實驗可以確定滿足伺服閥性能參數的彈簧管剛度值的測量范圍并用于指導加工。</p>&l

36、t;p>　　1.2 彈簧管剛度檢測技術的發(fā)展及研究現狀</p><p>　　1.2.1 彈簧管剛度測量技術的歷史沿革</p><p>　　從上述分析中知道，對彈簧管的剛度測量技術進行深入的研究具有深遠的意義。由于該類試件應用的特殊性，在國內對其進行研究的主要是與航天關系密切的一些單位。</p><p>　　圖1-1常見精密彈性元件</p><

37、;p>　　1.3 彈簧管剛度測量中相關理論綜述</p><p>　　1.3.1 測量數據粗大誤差判別方法</p><p>　　粗大誤差，又稱為“過失誤差”是指由于測量人員的主觀原因或客觀外界條件的原因而引起的歪曲測量結果的數據。為了通過測量數據獲得被測量真值的正確估計，在對測量數據進行數據處理之前，必須剔除其中含有粗大誤差的數據。</p><p>　　目前判別

38、粗大誤差的方法有很多在1993年提出的粗大誤差判別方法在性能上和估計精度上都是相當好的，但要求給定邊界信息。</p><p>　　雖然沒有哪種方法能夠保證在數據處理中找出所有的粗大誤差，但是，順序元素檢驗法要求的測量數據非常少，而且隨即研究不依賴任何模型結果的信息在實際測量中，尤其是在一些破壞性的實驗中，實驗條件的限制使得可獲得的測量數據較少，導致其概率分布密度也是未知的，此時是用現有的基于統(tǒng)計學的粗大誤差的評價

39、方法來解決問題是很困難的。</p><p>　　1.4 本課題的主要研究內容</p><p>　　彈簧管及其它精密彈性元件廣泛的應用在航空、航天及國防工業(yè)的各類控制系統(tǒng)和導航系統(tǒng)中作為導航元件或是反饋元件。這些精密彈性元件的剛度特性對控制器件性能影響很大，直接關系到控制精度和靈敏度等性能指標。所以，在產品設計上對其剛度值要求極其嚴格。</p><p>　　在實際加工

40、中保證能夠達到設計要求的剛度值是通過加工→測量→再加工→再測量的反復過程來實現的，因此剛度測量技術影響到精密彈性元件的加工制造的效率和加工中的廢品率。</p><p>　　目前，我國自行研制該類精密彈性元件的剛度測量裝置并不多，更是缺乏相關技術的理論研究，很多的生產單位甚至還在沿用傳統(tǒng)的手工測量方法。上述的這些關鍵問題，對于提高精密彈性元件的加工效率和加工水平進而提高我國在航天、航海及航空中的整體實力是必須加以解

41、決的。本文將對精密彈性元件中的典型件——彈簧管的剛度精密測量技術進行深入的研究。</p><p>　　本文將完成的主要工作有以下幾方面：</p><p>　　1.在分析被測元件的結構和剛度指標的基礎上，研制彈簧管剛度自</p><p><b>　　動測量系統(tǒng)。</b></p><p>　　2.研究測量系統(tǒng)中的粗大誤差及其

42、在剛度測量中的表現。</p><p>　　3.從彈簧管剛度的測量原理入手，分析測量系統(tǒng)中的誤差源。</p><p>　　4.為了解決大剛度值彈簧管在剛度測量中重復測量精度差的問題。</p><p>　　5.探索新的剛度測量方法。</p><p>　　6.對彈簧管剛度測量進行實驗研究，通過對比實驗驗證課題中所建</p><p

43、>　　立的接觸模型和誤差補償模型的正確性。</p><p>　　第2章 彈簧管剛度測量系統(tǒng)的研制</p><p>　　2.1 彈簧管的技術指標</p><p>　　在彈簧管剛度測量系統(tǒng)方案的確定中，測量裝置對測量精度的影響很大。如被測件的裝夾方式、傳感器選擇和安裝以及測量中加載方式的選擇等因素對被測件的剛度測量的精度影響較大。</p><

44、p>　　此外，傳感器與被測件位置的精調與粗調機構對測量精度也有著一定的影響。因此在研制彈簧管的剛度測量系統(tǒng)時，在實際加工中保證能夠達到設計要求的剛度值是通過加工→測量→再加工→再測量的反復過程來實現的我們應該根據被測量對象的尺寸、形狀、工作狀態(tài)以及剛度指標來確定</p><p>　　目前，我國自行研制該類精密彈性元件的剛度測量裝置并不多，更是缺乏相關技術的理論研究，很多的生產單位甚至還在沿用傳統(tǒng)的手工測量方

45、法。</p><p><b>　　彈簧管的技術指標</b></p><p>　　剛度值范圍 K=8~120(N m/rad)</p><p>　　薄壁厚度約為幾十微米 </p><p>　　剛度測量時位移量不能超過120微米</p><p>　　2.2 彈簧管剛度測量系統(tǒng)總體

46、方案的確定</p><p>　　2.21 彈簧管剛度多點法測量原理</p><p>　　彈簧管放在卡盤上，頂在叉形施力頭上的圓桿上，用手擰施力螺母，使其下方的軸旋轉，利用杠桿原理帶動靜態(tài)扭矩傳感器下方的軸，軸旁固定一個光柵讀數頭，測量軸偏轉的位移，利用公式K=N/s</p><p>　　彈簧管剛度測量系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：</p><p&g

47、t;　　1.力測量系統(tǒng)。測量加載過程中每個測量點處的力，該系統(tǒng)主要包括力傳感器。</p><p>　　2.微位移測量系統(tǒng)。測量加載過程中每個測量點處的位移，該系統(tǒng)主要包括位移傳感器及靜態(tài)扭矩傳感器。</p><p><b>　　3.施力螺母</b></p><p>　　4.測量臺架。作為測量系統(tǒng)的基體除了實現彈簧管的安裝之外還是以上幾個系統(tǒng)的機

48、械結構的載體。</p><p><b>　　圖2-2裝備總圖</b></p><p>　　2.3 測量臺架及測量夾具和調整裝置的結構設計</p><p>　　2.3.1 測量臺架總體結構</p><p>　　測量臺架的總體結構如圖所示</p><p>　　圖2-3 測量臺架的總體結構</p&

49、gt;<p>　　將彈簧管固定，通過橫向調整機構和縱向調整機構調整測桿頭部的剛球與鐵芯銜持板處于準接觸狀態(tài)（因此鐵芯銜持板又可稱作施力頭）。自動加載機構在加載的過程中推動叉形施力頭產生微小變形，與叉形施力頭相連的施力轉軸旋轉，通過固定在滑塊上的光柵讀數頭檢測到軸旋轉的位移量，在彈簧管上的測桿施加載荷，加載過程中，力傳感器和位移傳感器檢測每個測量點處的力和位移。</p><p>　　其中力傳感器既作為

50、加載元件又作為力測量元件可以減少力測量系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，提高測量精度。</p><p>　　2.3.2 測量夾具設計</p><p>　　從測量臺架的總體結構圖中可以看出，彈簧管測量夾具的設計應該包含兩部分，一是夾具的結構設計，另一個是測桿的結構設計。其中夾具的設計比較簡單，因為彈簧管的法蘭盤的尺寸相對較大，采用壓板原理結合凸輪機構就可以保證裝夾方便可靠。</p><p>

51、;　　可靠夾緊的基礎上裝夾方便并且不能損傷彈簧管頭部的外表面，更不能使其頭部發(fā)生塑性變形，這部分的設計主要是體現在與彈簧管頭部配合的測桿上的孔的結構設計和夾緊方法設計。</p><p>　　另一方面在測桿結構的設計中還要考慮力臂長度的選擇。對于測桿空的結構考慮彈簧管的實際結構采取圓弧夾緊方式。</p><p>　　圖2-4 叉形施力頭</p><p>　　測桿的夾緊

52、原理如下：將彈簧管輕輕裝入φD 孔中，先用手順時針方向旋轉頂桿的尾部，頂桿頭部推動頂座將彈簧管的頭部夾住，為了保證可靠夾緊，再用力矩扳手鎖緊。力矩扳手的使用，不僅使夾緊更為可靠，而且還會使每次測量的夾緊力大小保持一致，從而提高了重復裝夾時測量的重復性精度</p><p>　　測桿力臂長度的確定中要要保證對于不同型號的彈簧管因力傳感器和位移傳感器的示值跳動引起的相對誤差一致，本文中所用的力傳感器的分辨率為 1mN，

53、位移傳感器的分辨率為 0.1µm，測量中兩個傳感器的示值變動范圍均為 2 個字（力傳感器：不大于 2mN，位移傳感器：不大于 0.2µm。）因此根據彈簧管剛度表達式可以得到剛度值 K 與力臂長度 L（單位 cm）之間的關系式為：</p><p>　　2.3.3 施力螺母的設計</p><p>　　螺旋運動產生位移的原理</p><p><b

54、>　　圖2-5 施力螺母</b></p><p>　　隨著施力螺母的旋轉下方的施力螺桿的上下移動，帶動連接著的杠桿，利用杠桿原理使其施力轉軸轉動，連接的靜態(tài)扭矩傳感器檢測到力的大小。</p><p>　　2.4 數據測量元件的選擇</p><p>　　2.4.1 力傳感器的選擇</p><p>　　不同型號彈簧管的外形尺寸不

55、同，需要對夾具位置進行調整來保證測桿與力傳感器上的施力頭在位移傳感器的零點附近接觸。這樣就出現一個問題，當夾具重新調整后測頭與施力頭的接觸點的位置可能已經發(fā)生改變。另外同一個試件再重復裝夾中也會出現測點位置發(fā)生改變的情況，為了保證在這種情況下準確的測量到的每一點的力，就需要所選擇的力傳感器具有較好的抗偏載能力。本文選用靜態(tài)扭矩傳感器，這個靜態(tài)是指傳感器的測量彈性體不參與相對運動。從受力理解，這類測試是測試彈性體相對受的反作用力。常見的是

56、一端固定，另一端受力的軸。</p><p>　　2.4.2 微位移傳感器的選擇</p><p>　　常用的線位移傳感器有很多種：電阻式位移傳感器、電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、光電式位移傳感器、光柵以及磁柵、激光位移傳感器等等。這樣就出現一個問題，當夾具重新調整后測頭與施力頭的接觸點的位置可能已經發(fā)生改變。另外同一個試件再重復裝夾中也會出現測點位置發(fā)生改變的情況，</p>

57、<p>　　其中，電阻電位器式傳感器適用于較大范圍位移的測量，但其測量精度不高，無法滿足測量要求；電容式位移傳感器的測量靈敏度高、分辨力強（達0.01µm），但是它輸出的線性段較短，測量的量程?。?#177;200µm），同時，后續(xù)電路復雜，容易受到電磁干擾而限制了應用范圍。本文選用的是光柵傳感器。具有測量穩(wěn)定的優(yōu)點。</p><p>　　原理：指示光柵與標尺光柵疊放在一起，中間

58、留有適當的微小間隙，并使兩塊光柵的刻線之間保持一很小的夾角口，兩塊光柵的刻線相交，當在諸多相交刻線的垂直方向有光源照射時，光線就從兩塊光柵刻線重和處的縫隙通過，于是就形成了明暗條紋，這些條文成為莫爾條紋。特性：</p><p>　　調整夾角即可得到很大的莫爾條紋寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度 2.莫爾條紋有位移放大作用 3.莫爾條紋對光柵刻線的誤差起到了平均作用</p>&

59、lt;p>　　圖2-6 光柵讀數頭</p><p>　　2.5 剛度測量的主要步驟</p><p>　　使用剛度測量系統(tǒng)測量彈簧管的剛度主要包括以下步驟：</p><p>　　1.準備工作。將被測的彈簧管裝入對應該型號彈簧管的專用測桿和夾具中夾好，然后通過橫向調整機構和縱向調整機構調整彈簧管的位置使測頭與測頭處于準接觸狀態(tài)時力傳感器和位移傳感器的示數分別處于其

60、各自的零點附近。</p><p>　　2.測量信息輸入。點擊測量控制區(qū)內的“信息輸入”按鈕，在彈出的對話框中選擇被測試件的類型（轉換夾具，本系統(tǒng)還可以測量反饋桿和銜鐵組件的剛度），點擊信息輸入按鈕輸入被測試件的型號、件號和測量要求等信息。在檢測同批次的下一個零件時，系統(tǒng)會自動保留所輸入的信息，不需再次填寫，直接點擊測量即可。</p><p>　　3.測量。點擊點擊測量控制區(qū)內的“測量”按鈕

61、，根據測量信息中設置的測量點數和每一個測量點的位置控制自動加載系統(tǒng)進行加載。</p><p>　　到第一個測量點后停止加載，待傳感器傳輸過來的數據穩(wěn)定后進行數據采集、記錄并在繪圖區(qū)繪制該點，然后控制自動加載系統(tǒng)繼續(xù)加載到第二個測量點測量，依此類推直至測量完所有的測量點。</p><p>　　測量結束后，測量數據區(qū)顯示出測量結果數據（包括每個測點的力和位移值、測量得到的剛度值），繪圖區(qū)顯示出

62、用最小二乘法擬合得到的剛度曲線。測量結束后可以保存和打印輸出測量結果，最后復位。換夾試件重復上述步驟進行測量。</p><p>　　2.6 測量系統(tǒng)應用概況</p><p>　　圖是研制成功的彈簧管剛度測量臺實物照片。所研制的剛度測量系統(tǒng)已經通過驗收在航天某研究所使用，該測量系統(tǒng)在剛度值小于55Nm/rad 的彈簧管的剛度測量中，其不重復測量誤差不大于±0.8%。這樣就出現一個問

63、題，當夾具重新調整后測頭與施力頭的接觸點的位置可能已經發(fā)生改變。另外同一個試件再重復裝夾中也會出現測點位置發(fā)生改變的情況，</p><p>　　其中，電阻電位器式傳感器適用于較大范圍位移的測量，但其測量精度不高，無法滿足測量要求；電容式位移傳感器的測量靈敏度高、分辨力強（達0.01µm），但是它輸出的線性段較短，測量的量程?。?#177;200µm），同時，后續(xù)電路復雜，容易受到電磁干擾而限制

64、了應用范圍。本文選用的是光柵傳感器。具有測量穩(wěn)定的優(yōu)點。</p><p>　　驗收時以型號為 XXX-2 型彈簧管為試件進行重復測量實驗，即進行重復裝夾，并記錄每次裝夾得到的測量值，具體實驗數據如表 2-3 所示。</p><p>　　對于所研制的測量系統(tǒng)，通過配備不同的夾具還可以用于測量反饋桿和銜鐵組件的剛度。經過長期考察，該測量系統(tǒng)已經成為某些型號伺服閥的按期交付的設備保障，成為設計、

65、研制高性能伺服閥產品的重要測試設備，得到了使用方的肯定和好評。</p><p>　　圖2-7彈簧管剛度測量系統(tǒng)實物照片</p><p>　　第3章 彈簧管剛度測量中誤差分析與建模</p><p>　　3.1 單臂施力多點法彈簧管剛度測量系統(tǒng)中的誤差源分析</p><p>　　單臂施力多點法剛度計算公式為</p><p&g

66、t;　　對式兩邊取全微分并寫成相對量的形式</p><p>　　用 ?K ，?F，?S及 ?L代替 dK，dF，dS及 dL ，則有</p><p>　　從式中可以看出，宏觀上，影響測量結果的因素主要有三項：</p><p>　　測量得到的力與變形 ( F ,S)，以及力臂長度 L。隨著選取測量點數的不同，對于 F和 S ，每一測量點的F S都會影響到測量精度。只要

67、能夠找到影響F S和L 的所有誤差源，就可以根據不同誤差源所產生誤差的性質，采取不同的方法進行處理來提高測量精度。</p><p>　　誤差來源是多方面的，在彈簧管剛度測量過程中，影響測量精度的具體因素有很多，按誤差源特點可概括為：</p><p>　　1 測量方法誤差（即測量理論誤差）；</p><p>　　2 組成測量臺架的各環(huán)節(jié)的制造和裝配誤差；</p&

68、gt;<p>　　3 由測量力引起的測量系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)的彈性變形和環(huán)節(jié)間的接觸變形引起的誤差；</p><p>　　4 電氣部分存在的數據采集誤差以及因為測量環(huán)境的干擾（如溫度、濕度及振動等）引起的誤差；</p><p>　　5 其它誤差源，如舍入誤差等。</p><p>　　在上述的誤差源中，由測量方法誤差、機械零件的制造和裝配誤差以及測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)

69、的彈性變形引起的測量誤差屬于系統(tǒng)誤差。而由環(huán)節(jié)間接觸變形引起的測量誤差以及電氣部分存在的誤差則是影響重復測量精度的主要誤差源。在測量系統(tǒng)所有的環(huán)節(jié)間的接觸變形中，大量的實驗表明彈簧管和測桿之間的接觸變形是影響重復測量精度的主要因素。</p><p>　　彈簧管剛度測量系統(tǒng)的工作時，力傳感器作為加載器直接在加載的過程中測量各點的載荷力，因此引起每點測量力的誤差因素只是力傳感器系統(tǒng)的性能。對力臂長度 L 影響較大的誤

70、差源主要是測桿的加工制造誤差，用萬能工具顯微鏡（分辨率 1µm）實測力臂長度，并用實測值計算彈簧管的剛度值，這樣就能夠大大減小這部分誤差對測量的影響。</p><p>　　彈簧管角變形的獲得比較復雜，是位移傳感器是通過若干環(huán)節(jié)后測量得到的，因此引起每點變形量的誤差的因素較多，除了位移傳感器測量系統(tǒng)的誤差之外還有中間各環(huán)節(jié)的變形誤差。</p><p>　　3.2 測量原理誤差<

71、;/p><p>　　測量原理性誤差又稱測量方法誤差，主要指因使用的測量方法不完善或是采用的近似的計算公式等原因引起的誤差。在彈簧管的剛度測量中產生原理誤差的原因主要包括以下兩方面，一是由加載方式簡化引起來的，即用單力臂加載代替純彎矩加載中引起的誤差；一是在剛度計算中使用弦長代替弧角而引起的誤差。這兩部分原理誤差分別影響到測量點的位移量和力臂長度而使得測量結果出現偏差。</p><p>　　首先

72、分析因加載方式引起的原理性誤差。采用單臂施力方法進行測量的過程中，對比純彎矩相當于對彈簧管施加了一個軸向力。在使彈簧管薄壁產生拉長變形?l，由材料力學的知識可得：</p><p><b>　　?l</b></p><p>　　式中 A——彈簧管薄壁環(huán)形面積；</p><p>　　l ——彈簧管薄壁段的長度；</p><p&g

73、t;　　E——彈簧管的彈性模量。</p><p>　　位移傳感器在第 i 個測量點處所測得的變形中包含了?l 使得測量結果存在原理性誤差。假設測量裝置中的其它環(huán)節(jié)均為剛體，彈簧管在?F的作用其薄壁段的拉長變形為?l，而位移傳感器測量得到的變形為?S彈簧管的測量值為 K.</p><p>　　對式兩邊同時取倒數并整理得</p><p>　　其中 ε——因 ?l 引起的

74、測量相對誤差，</p><p>　　K ——彈簧管薄壁段的拉伸剛度， </p><p>　　從式（3-6）中可以看出因 ?l 而引起的測量相對誤差與彈簧管的拉伸剛度以及測桿力臂 L 的平方成反比，增長力臂長度會有效減小測量相對誤差。經計算對剛度值為 K=9.687Nm/rad 的小剛度彈簧管（L=4.5cm）其相對誤差為 0.06%。對剛度值為 K=80.125Nm/rad 的大剛度彈簧管

75、（L=8cm）其相對誤差為 0.01%。綜上，對所有彈簧管，因 ?l 引起的相對誤差不會大于 0.06%，是可以忽略的。</p><p>　　另一方面，在彈簧管剛度測量中，彈簧管的轉角 ?θ 是通過位移傳感器測得的 ?S 經過一定的簡化計算得到的，該簡化對 ?θ 和力臂 L 都產生影響從而引起測量誤差。對于 L 的影響如圖 3-3 所示，實際有效力臂長度小于剛度計算中使用的力臂長度，力臂誤差可由式（3-7）求得。

76、</p><p>　　由式（3-7）可知由?L引起的相對測量誤差ε 為 2 ?L /L，即 2 (1? cos?θ)，經計算該簡化誤差最大不會超過 0.006%，完全可以忽略。綜上，因為測量原理帶來的測量相對誤差不會大于 0.07%，所以單臂施</p><p>　　力法的測量原理比較科學。</p><p>　　3.3 彈簧管剛度測量系統(tǒng)的變形誤差分析與建模</

77、p><p>　　在測量力的作用下導軌板、活動板、彈簧管和測桿都會發(fā)生變形，它們</p><p>　　之間也會產生接觸變形，這些變形使得測量點的位置發(fā)生變化，此時測量點相對于各環(huán)節(jié)的位置是很重要的，因而需要定義坐標系來明確表達它們之間的關系。</p><p>　　本文將采用齊次坐標變換的方法建立測量中位移傳感器測量的變形與各個環(huán)節(jié)變形之間的關系，進而建立彈簧管剛度測量系統(tǒng)

78、的誤差補償模型</p><p>　　建立測量系統(tǒng)中變形誤差運動的綜合數學模型的主要步驟為：</p><p>　　1. 建立一系列坐標系及轉換矩陣使用齊次坐標變換的方法推導測量系統(tǒng)中的變形誤差的綜合數學模型時，首先要建立測量鏈中一系列環(huán)節(jié)的坐標系及轉換矩陣來描述各環(huán)節(jié)的關系及變形特性。</p><p>　　2. 建立測點、彈簧管及固定參考坐標系的關系把彈簧管上的變形點

79、的坐標表達在其所在的坐標系中，然后根據齊次坐標變換矩陣轉化到實際測量點所在的坐標系中，也可以轉化到固定參考坐標系中。采用后一種方法時，先將測量點的坐標表達在其坐標系中，然后根據齊次坐標變換原理轉化到固定參考坐標系中。</p><p>　　3. 建立彈簧管變形和實際測量點處的位移之間的關系在這一步中主要是根據變形測量鏈是封閉矢量鏈的特點，建立二者之間的關系，進一步求解得到測量系統(tǒng)變形的綜合數學模型。</p&g

80、t;<p>　　第4章 提高彈簧管剛度測量精度的方法研究</p><p>　　4.1 結構優(yōu)化法提高測量精度的研究</p><p>　　從第3章中的誤差元分析中可以知道彈簧管剛度測量系統(tǒng)中測量封閉矢量鏈中各環(huán)節(jié)的彎曲變形以及各個環(huán)節(jié)之間的接觸變形（主要影響因素是彈簧管和測桿間的接觸變形）是影響測量結果準確度的關鍵因素。對于上述中由于機械結構部分的變形引起的測量誤差，可以考慮

81、通過結構優(yōu)化的方法減小。</p><p>　　在彈簧管剛度測量的封閉矢量鏈中發(fā)生彎曲變形的各環(huán)節(jié)包括臺板變形、活動導軌板的變形、活動板的變形、測桿變形以及彈簧管的變形。其中彈簧管的變形是需要測量的，而其它的變形越小越好。</p><p>　　4.2 誤差補償法提高測量精度的研究</p><p>　　從誤差補償的角度來提高彈簧管剛度的測量精度。測量系統(tǒng)的誤差補償技術已

82、成為現代高科技領域、高精度領域的一種常用技術，對已知誤差規(guī)律的測量系統(tǒng)尤其適用。根據第 3 章和第 4 章中的分析，測量中隨著測量力的增加各環(huán)節(jié)的彎曲變形和環(huán)節(jié)間的接觸變形隨之以一種可循的規(guī)律增大，因此可以通過誤差補償技術對測量結果進行補償。</p><p>　　由彈簧管剛度測量原理可以知道彈簧管的剛度是通過對測量過程中采集到的所有測量點的測量力和變形進行回歸處理而得到的，隨著測量力的增大，各環(huán)節(jié)的彎曲變形和環(huán)節(jié)

83、間的接觸變形對不同的測量點處得到的變形值有著不同的影響，因此可以通過軟件對測量中每一個測量點處采集得到的變形進行補償，補償前需要計算出所有環(huán)節(jié)的彎曲剛度。</p><p>　　在對測量結果的誤差補償中，各環(huán)節(jié)的彎曲變形屬于線形行為，它們引起的測量誤差屬于系統(tǒng)誤差，只能影響到測量的準確度，通過補償可以完成準確度的還原。但是接觸變形卻因為接觸表面形貌的隨機性和受力作用后變形的復雜性屬于非線性行為，因此由接觸變形不僅影

84、響到測量結果的準確度還影響到測量的精密度。</p><p>　　4.3 粗糙表面的數值模擬</p><p>　　發(fā)生協調接觸的兩固體的接觸表面形貌將會直接影響到接觸變形的大小和接觸應力的分布。因此，針對實際接觸狀況和建立合適的數值化表面模型是研究和求解接觸問題的基礎。</p><p>　　4.4 表面形貌數值模擬方法的選擇</p><p>　

85、　數值化表面形貌的獲得有兩種途徑，一是使用測量儀器和相應的數值量化軟件直接測得的表面形貌。</p><p>　　另一種是利用計算機產生的仿真表面形貌。相比之下，數值仿真的表面形貌以其過程簡單，實驗容易而在工程應用和理論研究中被廣泛應用。</p><p>　　針對不同的研究目的和領域，各國專家學者提出了不同的表面形貌模</p><p>　　型，或是從統(tǒng)計角度出發(fā)，以不

86、同的統(tǒng)計參數來描述表面形貌，或者從表面</p><p>　　形貌微凸體的形狀和曲率方面來描述。</p><p>　　所提出來的表面形貌模型有 GW 模型、WA 模型、二維 AR 模型、Patir 模型、Nayak 模型、基于加工參數描述的表面模型以及基于分形理論的表面模型等等。</p><p>　　其中 Patir 法原理是：</p><p>

87、;　　利用大多數隨機表面所獲得的已知自相關函數，求解自相關函數矩陣，通過求解非線性方程組的方法，從而求得線性變換矩陣系數，再利用噪聲輸入來生成計算產生的隨機表面粗糙度數值模型。這種方法的優(yōu)點是邏輯清晰，比較容易實現。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　在彈簧管剛度測量系統(tǒng)的研制中，如何提高各型號剛度值大小不同的彈簧管的重復測量精度是最為關鍵

88、的問題。</p><p>　　本文對彈簧管的剛度測量技術作了深入的研究，研制了一套彈簧管剛度的測量系統(tǒng)。</p><p>　　為了提高該測量系統(tǒng)的測量精度，對測量系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進行深入分析，建立了誤差補償模型和接觸分析模型，并基于此提出了變形分離測量法用于較大剛度值彈簧管的剛度測量。</p><p>　　1. 研制了能夠實現自動加載、多點測量，并可自動地輸出剛度曲線的

89、彈簧管剛度測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)的測量原理與實際工況符合，解決了國內彈簧管剛度測量的難題；提出了一種新的改進了的基于灰色理論的粗大誤差判別方法，該方法對測量數據少或是難于尋求統(tǒng)計規(guī)律的測量過程尤為有效，將之用于剛度測量系統(tǒng)中能夠有效提高測量精度；</p><p>　　2. 研究了測量中變形對測量精度影響，根據測量鏈的封閉特性，應用齊次坐標變換法，建立了彈簧管剛度測量中的變形誤差模型及補償模型，并用實驗驗證了該模型的正

90、確性；</p><p>　　3. 研究了測量中接觸力的分布及其接觸變形對測量精度的影響，建立了彈簧管頭部與測桿孔之間的接觸模型，并給出數值解法。數值模擬和彈簧管剛度測量實驗均驗證了使用該模型求解通用協調接觸問題更接近于實際接觸情況；</p><p>　　4. 提出了一種新的適用于較大剛度值彈簧管剛度測量的變形分離測量法，并研制出相應的實驗裝置。</p><p>　　

91、實驗證明該方法具有較高的重復測量精度，最后通過實驗分析確定出適合不同型號彈簧管的最佳測量方案。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　值此畢業(yè)之際，我要向導師邵東向老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。春華秋實，是導師的辛勤耕耘和諄諄教導培育了我，使我圓滿地完成了學業(yè)。在三年多的學習生活中，他們淵博的學識、嚴謹的治學作風與卓越的工作能力都給我以深深的

92、教誨和啟迪。</p><p>　　在他們身上，我不僅學到了科學知識、鍛煉了科研能力，而且還懂得了為人的道理。在我今后的工作與生活中，導師的言傳身教將永遠激勵著我，使我受益匪淺。</p><p>　　在我畢業(yè)課題的研究和論文的撰寫過程中，我還得到了許多老師同學給予我的許多指導和幫助，以及一個團隊的同學的大力合作，在此表示深深的謝意。是他們伴我度過了這段愉快而難忘的求學生活。感謝所有幫助過我的

93、人，感謝他們的關心和幫助。我會永遠珍惜在彼此的學習與交流中所結下的真摯友情。</p><p>　　最后，向所有關心和支持過我的老師、同學、朋友和親人表示最衷心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 敖明武. 精密彈性元件新型剛度測量儀的研究. 哈爾濱工業(yè)大學碩士</p><p>　

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99、t;<p>　　國慣性技術學報. 2008, 6: 39~42</p><p><b>　　附錄1</b></p><p>　　The new advanced manufacturing technology development</p><p>　　Summary This paper has presented the p

100、roblems facing today's manufacturing technology， advanced manufacturing discussed in the forefront of science， and a vision for the future development of advanced manufacturing technology. </p><p>　　Keyw

101、ord Advanced manufacturing technologies; Frontier science; Applications prospects</p><p>　　Modern manufacturing is an important pillar of the national economy and overall national strength and its GDP accoun

102、ted for a general national GDP 20%~55%. In the composition of a country's business productivity， manufacturing technology around 60% of the general role. Experts believe that the various countries in the world econom

103、ic competition， mainly manufacturing technology competition. Their competitiveness in the production of the final product market share. With the rapid economic and tech</p><p>　　1 .Current manufacturing scie

104、nce to solve problems</p><p>　　Manufacturing science to solve the current problems focused on the following aspects :</p><p>　　(1) Manufacturing systems is a complex systems， and manufacturing s

105、ystems to meet both agility， rapid response and rapid reorganization of the capacity to learn from the information science， life science and social science interdisciplinary research， and explore new manufacturing system

106、 architecture， manufacturing models and manufacturing systems effective operational mechanism. Manufacturing systems optimized organizational structure and good performance is manufacturing system modelling， simul</p&

107、gt;<p>　　(2) The rapid rise in support of manufacturing， geometric knowledge sharing has become a modern manufacturing constraints， product development and manufacturing technologies of the key issues. For example

108、， in computer-aided design and manufacturing (CAD/CAM) integration， coordinates measurements (CMM) and robotics fields， in 3D real space (3-Real Space)， there are a lot of geometric algorithm design and analysis， especia