非正交系坐標(biāo)測(cè)量機(jī)理論及輪軌外形測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)是由機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的柔性高精度測(cè)量設(shè)備。正交導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的正交坐標(biāo)系CMM，換算直觀、簡(jiǎn)單；非正交導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)構(gòu)成的非正交系CMM小巧便于攜帶，正在得到發(fā)展。隨著我國(guó)重載和高速鐵路的發(fā)展，輪軌關(guān)系研究、安全監(jiān)測(cè)對(duì)輪軌幾何測(cè)量精度與效率的要求不斷提高，因此，研究非正交系CMM理論及輪軌外形測(cè)量技術(shù)具有重要意義。 論文在回顧經(jīng)典CMM及多關(guān)節(jié)串聯(lián)非正交系CMM的發(fā)展歷程，介紹并聯(lián)機(jī)構(gòu)CMM以及輪軌外形測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)

2、上，全面闡述了在非正交系CMM理論及應(yīng)用方面的研究工作，其內(nèi)容、方法與成果摘要如下： 1.論述了坐標(biāo)測(cè)量法的數(shù)學(xué)原理與非正交系的實(shí)現(xiàn)；對(duì)CMM系統(tǒng)進(jìn)行了功能分解和優(yōu)化重組，論證了非正交系CMM的可行性；通過(guò)對(duì)多關(guān)節(jié)串聯(lián)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)非線性方程組的求解分析，研究了其可測(cè)性，同時(shí)討論了機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣及其條件數(shù)的意義，為CMM的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 2.研究了非正交系CMM的測(cè)量準(zhǔn)確性。討論了機(jī)構(gòu)制造誤差的檢定與補(bǔ)償方法；對(duì)桿件

3、的簡(jiǎn)單熱變形、力變形以及關(guān)節(jié)角測(cè)量誤差進(jìn)行了量化分析，對(duì)多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的分析和試驗(yàn)表明：利用兩種姿勢(shì)測(cè)量同一外形曲線，使兩條曲線重合，可標(biāo)定一個(gè)角度零位誤差，多個(gè)誤差可依次標(biāo)定；對(duì)激光與電渦流位移傳感器測(cè)量車(chē)輪外形的測(cè)量誤差也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 3.研究了測(cè)量機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合問(wèn)題。在分析構(gòu)型要素、方法，研究二維測(cè)量機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了：①基于桿長(zhǎng)測(cè)量的CMM并聯(lián)機(jī)構(gòu)方案，建立了測(cè)量模型，給出了位置正解與逆解，進(jìn)行了測(cè)量空間和誤差分析

4、；②基于角度的三、六自由度測(cè)量機(jī)構(gòu)方案，該機(jī)構(gòu)適合小范圍高速測(cè)量。 4.研究了非正交系CMM原理在輪軌外形檢測(cè)中的應(yīng)用問(wèn)題。提出了三種測(cè)量裝置機(jī)構(gòu)方案：①基于角度測(cè)量的五連桿輪軌外形測(cè)量?jī)x，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和誤差分析，還給出了基于三角形邊長(zhǎng)測(cè)量的機(jī)構(gòu)方案；②基于桿長(zhǎng)測(cè)控的輪對(duì)幾何參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置；③一種基于角度測(cè)量的鋼軌軌距、水平檢測(cè)推車(chē)，其傾角測(cè)量采用了渦流阻尼結(jié)構(gòu)。同時(shí)給出了全部測(cè)量模型。 5.研究了坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

5、采集問(wèn)題。討論了增量光柵信號(hào)的四細(xì)分、可逆計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，正弦信號(hào)的精密細(xì)分技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于F2407的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究了電源消耗、USB接口及其兩側(cè)的編程、硬件接線、角度零點(diǎn)確定、高速同步鎖存讀數(shù)、無(wú)線通訊的實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。 6.提出了一種鐵質(zhì)工件斷面自由曲線的自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)可控制并測(cè)量角度編碼器的平面位置，在編碼器轉(zhuǎn)軸上固定帶磁性測(cè)量輪的測(cè)量桿?？刂撇呗允牵豪脺y(cè)量桿的重力效應(yīng)與擺動(dòng)角度自動(dòng)搜尋測(cè)量對(duì)象，根據(jù)最新

6、測(cè)得的兩點(diǎn)坐標(biāo)，調(diào)整測(cè)桿方向并前進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)。試驗(yàn)表明：這種方案具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，對(duì)工件位置與外形的變化具有自動(dòng)適應(yīng)的功能。 7.論文完成的試驗(yàn)包括：便攜式輪軌外形測(cè)量?jī)x的研究試驗(yàn)；車(chē)輪外形采用磁性滾輪進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的試驗(yàn)；鋼軌軌距、水平連續(xù)檢測(cè)推車(chē)試驗(yàn)。試驗(yàn)均達(dá)到了預(yù)期目的，證明了非正交系CMM理論及應(yīng)用的可行性。 本論文研究工作的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：首次系統(tǒng)研究了非正交系坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的原理、方法，可測(cè)性、準(zhǔn)確性理論。研究了

7、測(cè)量機(jī)構(gòu)的構(gòu)型方法，根據(jù)被測(cè)對(duì)象特點(diǎn)，提出了4種新型測(cè)量?jī)x器或裝置方案： (1)基于桿長(zhǎng)測(cè)量的CMM方案，可用簡(jiǎn)單工藝獲得更高的測(cè)量準(zhǔn)確度，已獲得中國(guó)發(fā)明專利：ZL01128866.3。 (2)基于角度測(cè)量的六自由度測(cè)量機(jī)構(gòu)，特別適合快速檢測(cè)毛筆桿動(dòng)態(tài)位姿參數(shù)，將古老的毛筆書(shū)法信息數(shù)字化。 (3)基于五連桿平面機(jī)構(gòu)的便攜式輪軌外形測(cè)量?jī)x，可測(cè)量各種車(chē)輪和鋼軌的外形曲線，實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器的集成并提高測(cè)量準(zhǔn)確度。