（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計.pdf

1 、 ， k 氣 n a n l j i n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h e ( 計a d u a t e s c h 0 0 1 c 0 1 l e g eo fm e c h a n i c a l 一e l e c t r i c a le n g i n e e n g r e s e a r c h0 na u t 0 d e t e c t e dd e v i c e d e s i g no f s u r f a c ep r o f i l ee r r o rm e a s u r e m e n t f o rr a i l w a yd o o r at h e s i si n m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a le n g i n e 謝n g b y j i a n gg o n g q i n a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a oz h u a n p i n g s u b n l i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rm ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e n g d e c e m b e r ，2 0 0 9 ， 一 奢 一 產(chǎn) 承諾書 本人聲明所呈交的碩士學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn) 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致 謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位 或證書而使用過的材料。 本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書) 作者簽名：配型 一 日期： 五l q ! 立! 1 2 ， 一 聲 一 ， ， 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著我國城市化速度加快，城市交通便捷性和快速性已成為衡量一個城市發(fā)展的重要指標(biāo)。 城軌車輛的車門由于啟閉頻繁，利用率高，因此在安全性能和美觀方面要求較高。在地鐵列車 門生產(chǎn)過程中，對面輪廓度的測量一直沒有一種經(jīng)濟(jì)快速的簡捷方法，本論文根據(jù)地鐵列車門 的特點和檢測要求，從經(jīng)濟(jì)性、可行性角度出發(fā)，設(shè)計出一套基于相對坐標(biāo)測量的面輪廓度自 動檢測裝置。 論文討論了面輪廓度的四種檢測方法及其優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上，分析地鐵列車門檢測需求， 提出三維測量轉(zhuǎn)化為一維測量的思路，完成面輪廓度自動檢測裝置的總體方案設(shè)計，進(jìn)而分別 完成機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、控制模塊設(shè)計、測量模塊設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計，并詳細(xì)闡述了數(shù)據(jù)處理的 方法和流程。 論文根據(jù)組成結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)傳感器的選用、裝調(diào)方式、各軸向驅(qū)動控制的原理分別進(jìn)行了闡 述和說明，根據(jù)軌道車門面輪廓度自動檢測裝置精度要求，進(jìn)行精度制定和誤差分配，并對測 量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析。 最后搭建實驗平臺，完成實驗和數(shù)據(jù)處理，通過實驗驗證了系統(tǒng)方案的可行性。 關(guān)鍵字：面輪廓度檢測，結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)采集卡，伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，不確定度 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 a b s t r a c t w i lt l l e 猶c e i e r a t i o no f 塒b 鋤i z a t i o nd e v e l o p i n gi no u rc o 印蚵，塒m 鋤仃a 銜cc o n v e n i e n c e 鋤d q u i c l ( i l e s sh 嬲b e c o m e 觚i i i l p o r t a n tc r i t e r i o nf o r 瑚- b 鋤d e v e i o p m 蛐t b e c a u o f 舶q u e n ts t a ns t o p m o v e m e m 鋤dl l i g l le 塌c i e n c y ，c 時m i lv e h i c l ed 0 0 rh 舔h i 曲陀q m s ti ns a 】f 嘶觚db e a u _ i y f o ral o n g t i m e ，m e 塢sr ms i m p l e ，r a p i d 觚de c o m i cm e t h o df o rs u r f a c ep r o f i l em e 豳u r e m e md 嘶n g 舭 s u b w a yd o o r sp 剛u c t i o np r o c e s s a c c o r d i n gt 0s u b w a yd 0 0 rc h 撇c t e r i s t i c 鯽dd e t e c t i o n 他q u i r e i n e 吐 m ep a p t i rd e s i g n e d 鋤a u t o m a t i cd e t e c t i o nd e v i c eb 越e d 他l a t i v ec o o r d i n a t ef b mt l l ee c o m y 甜l d f e 豳i b i l i t y t h ep a p e rd i s c m s e df o u rm c t h o d so fs u r f a c ep r o f i l em e 叢u r e m e n t ，a d v a m a g e s 鋤dd i s a d v 鯽t a g e s ， o nm eb 懿i so ft l l i s ，i tc o n t i n u e d 鋤i a l y z i r 唱t l l es u b w a yd o o r sd e t e c t i o n 他q u e s t ，p r o p o s e dt h ei d 髓o f o 鵬- d i m e 璐i o nm e 鷦u r e m e n ti n s t e a d0 ft 1 1 他e 司i m e n s i o n a lm e 舔u 陀m e n t ，鋤df i n i s h e d 廿l eo v e 豫l l s c h 啪ed e s i g n0 ft h es m 仇p r o f i l ed e t e c t i o nd e v i c e t h e n ，i tc o m p l e t e dm e c h a n i c a ls y s t e md e s i g l l c o n t r o lm o d u l ed e s i g n ，m e 嬲u r e m e n tm o d u l e sd e s i g n 柚ds o r w a 心d e s i 9 1 l ，觚de x p l a i n e dd e t a i l e d l y 也ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o da n dp r o c e d b 繳d l es 仃佻t u 糟o ft l l es y s t e m ，t l l ep a p e rd e t a i l e d l yd i s c 鵬s e dt t l e l e c t i o n0 fs e n s 0 r s ， h 姐a t i o na n da d j 咖e n tw a y 鋤dt t l e “v ec o n n 0 lp r i n c i p l eo f i 陀ea ) e s a c c o r d i n gt 0p 托c i s i 咒q u i r e m e n t so ft l l es u b w a yd o o rd e t e c t i o nd e v i ，i tf 0 咖u l a t e dp 陀c i s i o nd e s i g na n df i n i s h e dt l l e e 丌0 rd i s t r i b u t i o n ，i n l ee n d ，i td i du n c e n a i n 夠e v a l u a t i o nm e 弱u 他m e n t 心s u l t s f i n a u y ，m ep a p e rm a d eu pt t l ee x p c r i m e n t a lp l 施咖，觚df i n i s h e dn 他e x p e r i m e n t 鋤dd a 詛 p r 0 s s i n g t h ee x p e r i m e n t 他s u l ts h o w e dm a t 廿1 ed e t e c t i o ns y s t e mw 笛f e 夠i b l e ， l k e yw o r 山：姒晌_ c ep f i l em e 笛u 他m e 咄s 呲t u 陀d e s i 印，d a t a q u i s i t i 倒，辯r v om o t o i ， s t e p p i n gm o 幻r ，u n c e r t a i n t y 。 南京航空航天大學(xué)碩十學(xué)位論文 目錄 第一章緒論1 1 1 課題背景及來源l 1 2 面輪廓度誤差的檢測方法。1 1 2 1 面輪廓度誤差定義l 1 2 2 面輪廓度誤差的檢測方法2 1 3 軌道車門輪廓度自動檢測裝置基本要求5 1 4 本論文的研究方法及研究任務(wù)。5 1 4 1 研究方法。5 1 4 2 研究任務(wù)。6 1 5 論文內(nèi)容安排6 第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計7 2 1 軌道車門輪廓度自動檢測裝置檢測總體方案設(shè)計j 。- 2 1 1 檢測系統(tǒng)方案設(shè)計：7 2 1 2 機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計8 2 1 3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計。f - 8 + * 。 2 2 精度設(shè)計與誤差分配9 2 2 1 誤差的基本概念9 2 2 2 精度的基本概念翩l o - 一，。 2 2 3 精度制定與誤差分配。1 l 2 ：ld 、l ；ll 第三章機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計1 2 3 1 支承系統(tǒng)的設(shè)計。：一1 2 3 1 1 基座與支承件1 2 3 1 2 龍門結(jié)構(gòu)的設(shè)計1 4 3 1 3 傳感器架的設(shè)計1 6 3 2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計1 9 3 2 1 主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計1 9 3 2 2z 軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計3 0 3 3 ，j 、結(jié)3 4 第四章控制系統(tǒng)的設(shè)計。3 5 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 4 1 數(shù)據(jù)采集卡的選擇與配置3 5 4 1 1 數(shù)據(jù)采集卡的選擇3 5 4 1 2 工作原理3 6 4 1 3 采集卡驅(qū)動程序3 8 4 1 4 引腳及其各種信號接線說明3 8 4 2 伺服系統(tǒng)的設(shè)計4 0 4 2 1 伺服電機(jī)驅(qū)動器參數(shù)說明4 0 4 2 2 伺服電機(jī)控制方式選擇4 2 4 2 3 與數(shù)據(jù)采集卡的配置與接線4 2 4 3 步進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計4 4 4 1 3 1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的參數(shù)說明4 4 4 3 2 步進(jìn)電機(jī)控制方式4 4 4 3 3 與數(shù)據(jù)采集卡的配置與接線4 5 4 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計4 6 4 4 1 傳感器的選擇4 6 4 4 2 數(shù)據(jù)采集與接線方式4 6 4 5 ，j 、結(jié)4 7 第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計4 8 5 1 軟件總體方案設(shè)計4 8 5 1 1 控制系統(tǒng)軟件平臺的選擇4 8 5 1 2 系統(tǒng)軟件平臺各子模塊功能4 8 5 2 電機(jī)控制模塊設(shè)計5 0 5 2 1 伺服電機(jī)驅(qū)動程序的設(shè)計5 0 5 2 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序的設(shè)計：5 6 5 3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計5 6 5 3 1 傳感器數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計。5 6 5 3 2 數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)。5 7 s 4 數(shù)據(jù)處理與誤差分析5 9 s 4 1 數(shù)據(jù)處理方法與流程5 9 5 4 2 測量結(jié)果不確定度分析6 l 5 5 ，j 、結(jié)6 3 第六章實驗分析6 4 、 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 1 實驗?zāi)康? 4 6 2 實驗方案6 4 6 3 實驗設(shè)備6 5 6 3 1 五自由度運(yùn)動平臺6 5 6 3 2 實驗用傳感器及實驗對象6 7 6 4 實驗流程6 9 6 4 1 工件安裝及固定6 9 6 4 2 傳感器位置標(biāo)定6 9 6 4 3 傳感器線性標(biāo)定7 0 6 4 4 測量7 l 6 5 數(shù)據(jù)分析7 2 6 5 1 傳感器標(biāo)定7 2 6 s 2 坐標(biāo)統(tǒng)一7 3 6 5 3 數(shù)據(jù)處理 7 3 6 6 結(jié)果分析7 4 6 7 小結(jié)7 5 第七章結(jié)論。7 6 7 1 論文總結(jié)7 6 7 2 問題與改進(jìn)7 6 參考文獻(xiàn)誓7 8 j g 【謝81 攻讀碩士期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文8 2 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 圖、表清單 圖1 1 面輪廓度公差帶。l 圖1 2 仿形測量法2 圖1 3 光學(xué)跟蹤法測量面輪廓度實例2 圖1 4 截面樣板測量法3 圖1 s 結(jié)構(gòu)光法測量原理。4 _ 圖1 6 地鐵列車車門示意圖5 4 圖2 1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖- 7 ， 圖2 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。9 圖3 1 工件定位示意圖1 4 圖3 2 龍門結(jié)構(gòu)示意圖一1 5 圖3 3 龍門結(jié)構(gòu)變形分析1 5 圖3 4 工字鋼截面1 6 圖3 5 傳感器架結(jié)構(gòu)圖。1 7 圖3 6 燕尾槽滑塊定位基準(zhǔn)面1 7 圖3 7 傳感器上下移動結(jié)構(gòu)圖l7 圖3 8 傳感器架變形分析。18 圖3 9 傳感器架變形分析簡化圖。1 8 圖3 1 0 滾珠絲杠精度選擇2 0 圖3 1 l7 5 b f 0 0 6 電機(jī)接線圖3 4 j 圖4 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 5 圖4 2n ic 良6 8 l p 端子板外形3 6 ， 圖4 3 單點數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)框圖3 6 。 圖4 4 單面數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)框圖3 7 圖4 5 循環(huán)數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)框圖3 8 圖4 6p q 6 0 1 3 鹋引腳定義3 8 圖4 7 驅(qū)動器1 飄a 3 0 c 位置控制接線圖4 3 圖4 8c p 的脈沖寬度及高低電平方式4 5 圖4 9 換向信號d i r 起作用的時刻4 5 圖4 1 0 傳感器變換器與數(shù)據(jù)采集卡接線圖4 7 圖5 1 系統(tǒng)功能控制模塊組成框圖4 9 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖s 2 計算機(jī)控制界面4 9 圖5 3 伺服電機(jī)控制原理5 1 圖5 4 光電編碼器原理示意圖5 l 圖5 s 編碼器正轉(zhuǎn)脈沖輸出圖。5 2 圖5 6 編碼器反轉(zhuǎn)脈沖輸出圖一5 2 圖5 7 碼盤信號4 倍頻電路圖。5 3 圖5 8 碼盤信號4 倍頻波形圖。5 3 圖5 9 編碼器信號細(xì)分技術(shù)軟件流程圖5 4 圖s 1 0 伺服電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖5 4 圖5 1 1 伺服電機(jī)驅(qū)動程序流程圖5 5 圖5 1 2 回零程序流程圖5 5 圖5 1 3 步進(jìn)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖5 6 圖5 1 4 傳感器數(shù)據(jù)采集控制結(jié)構(gòu)圖5 7 圖5 1 s 傳感器數(shù)據(jù)采集程序流程圖二：世5 7 圖5 1 6 總體程序流程圖5 8 圖s 1 7 建立測量坐標(biāo)系6 0 圖5 1 8 傳感器標(biāo)定界面：囂二簟j 圖6 1 實驗方案6 4 圖6 2 實驗方案用傳感器架結(jié)構(gòu)圖。6 5 圖6 3 五自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖o 6 6 圖6 4l m s - 6 型位移光柵線位移傳感器輸出信號6 7 圖6 5 數(shù)顯表m i l i i t a s t l 0 8 5 外形6 7 圖6 6d g c 6 p g b 外形6 8 圖6 7 實驗對象示意圖- 6 9 圖6 8 傳感器分布示意圖6 9 圖6 9 傳感器間距示意圖。7 0 圖6 1 0 傳感器標(biāo)定使用程序界面7 l 圖6 1 1 實驗用程序界面7 l 圖6 1 2 實驗測量流程圖7 2 圖6 1 3 第一組數(shù)據(jù)的最小二乘擬合結(jié)果7 2 圖6 1 4 第一組數(shù)據(jù)擬合成圓柱體7 4 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 表3 1 滾珠絲杠精度等級說明。2 l 表3 2 滾珠絲杠精度與制造范圍( 單位m m ) 。2 l 表3 3 滾珠絲杠副預(yù)期工作壽命l h 2 3 表3 4 載荷系數(shù)選擇2 3 表3 s 安裝系數(shù)選擇2 4 表3 6 滾珠絲杠副g d 4 0 0 5 3 參數(shù)。2 4 表3 7 支承系數(shù)選擇2 5 表3 8t s b l 3 1 0 2 a 馬達(dá)參數(shù)2 9 l 豪3 9 滾珠絲杠副g d 2 0 0 4 3 參數(shù)3l 表3 1 07 5 b f 0 0 6 參數(shù)3 3 表4 1 伺服驅(qū)動器1 豇a 3 0 參數(shù)4 l 表4 2s h d 一5 3 0 f 主要技術(shù)指標(biāo)4 4 表4 3 電渦流位移傳感器y g 9 2 0 2 參數(shù)4 6 表6 1 數(shù)顯表m i i i i t a s t l 0 8 s 參數(shù)6 8 表6 2 電感旁向測頭d g c - 6 p g b 參數(shù)6 8 表6 3 數(shù)顯電感測微儀d g 爭6 檔位說明6 8 表6 4 傳感器間距標(biāo)定結(jié)果7 0 表6 5 第一次測量標(biāo)定結(jié)果7 2 表6 6 工件擺正情況下的評定結(jié)果7 4 表6 7 工件存在定位誤差時的評定結(jié)果。7 4 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 課題背景及來源 第章緒論 隨著我國城市化速度加快，城市交通便捷性和快速性已成為衡量一個城市發(fā)展的重要指標(biāo)。 世界上大多數(shù)發(fā)達(dá)國家在便捷交通方面具有很大優(yōu)勢，尤其在城市軌道交通方面，各城市都很 重視發(fā)展自己特色的交通體系。 城軌車輛的車門由于啟閉頻繁【，利用率高，因此在安全和美觀性能方面要求較高，其各 項性能指標(biāo)必須保持在一個相對安全的取值范圍內(nèi)，以保證列車的運(yùn)行安全。這就要求制造廠 家在產(chǎn)品制造過程中測試這些參數(shù)( 如車門的形狀誤差，尺寸誤差，車門開門力，關(guān)門力，防 擠壓力，踏腳板的翻轉(zhuǎn)壓力，開門時間，關(guān)門時間，防凍裝置與門板膠條的貼和面在加熱三分 鐘后的溫升值，車門的絕緣電阻等等) 。對于高速列車車門，如地鐵門，面輪廓度會影響車輛 裝配精度及密封性，本課題以地鐵列車車門面輪廓度檢測為研究內(nèi)容，完成面輪廓度自動檢測? 裝置的設(shè)計。 1 2 面輪廓度誤差的檢測方法 峨， 1 2 1 面輪廓度誤差定義 輪廓度是零件形位公差國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用最廣泛而又最難于測量和評定的項目。術(shù)： 其中，面輪廓度h 7 1 是形位公差中既有形狀公差特征又有位置公差特征的一個要素，是指被測實 際表面形狀對圖樣給定的理想表面形狀的允許變動量，是針對任意曲面偏離設(shè)計給定的形狀而 提出的技術(shù)指標(biāo)。面輪廓度的公差帶2 1 是包絡(luò)一系列直徑為公差值的球的兩包絡(luò)面之間的區(qū)域， 這些球的球心位于具有理論正確幾何形狀的曲面上。如圖1 1 所示： 一一、 、 、 圖1 1 面輪廓度公差帶 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 1 2 2 面輪廓度誤差的檢測方法 面輪廓度誤差的檢測方法【3 1 根據(jù)被測零件的幾何特性，可以分為兩大類。一類零件的主要 表面或被加工部位由標(biāo)準(zhǔn)體素，如立方體、矩形體、圓柱體、球體、錐體等構(gòu)成，這類零件比 較常見如軸類、箱類等，其形狀比較規(guī)范，易于測量且測量精度高；另一類零件的主要表面或 者加工部位由空問自由曲面構(gòu)成，其表面形狀比較復(fù)雜，測量比較困難，且測量精度低。 在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中1 4 】，面輪廓度誤差的測量方法包括仿形裝置測量，截面輪廓樣板測量， 光學(xué)跟蹤輪廓測量儀測量以及三坐標(biāo)測量裝置測量等。 1 ) 仿形測量法 利用仿形測量裝置將被測零件的實際輪廓面與輪廓樣板的輪廓面進(jìn)行比較，以確定該零件 得面輪廓度誤差值，其中仿形面輪廓度的誤差值將直接影響測量結(jié)果。仿形測量裝置能在空間 直角坐標(biāo)系的縱、橫兩個互相垂直的方向上移動，以測量整個實際曲面輪廓，所使用的樣板的 輪廓形狀與被測零件的輪廓形狀一致，該樣板的輪廓按照被測輪廓的c a d 模型設(shè)計。如圖1 2 所示： 2 2 ) 光學(xué)跟蹤測量法 圖1 2 仿形測量法 8 l 理想輪廓的影像2 模擬測頭3 屏幕4 理想輪廓 5 透明玻璃板6 光源7 被測零件8 工作臺 圖1 3 光學(xué)跟蹤法測量面輪廓度實例 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 光學(xué)跟蹤測量法是指使用光學(xué)跟蹤輪廓儀分別測量實際被測曲面輪廓若干截面的線輪廓度 誤差，把各個截面的實際輪廓線與對應(yīng)的理想輪廓線相比較，來判斷面輪廓度誤差是否合格。 如圖1 3 所示，光學(xué)跟蹤輪廓測量儀主要由工件臺8 、與測頭連成一體且能上下移動和左右 移動的透明玻璃板5 和投影屏幕3 組成。選取好被測曲面輪廓的若干測量截面后，在透明玻璃 板5 上制作這些被測截面的理想輪廓4 。測量時，將被測零件7 放置在儀器工作臺上，它在工 作臺上的位置按零件圖樣上標(biāo)注的三基面體系正確定位。由光源6 發(fā)出的光照明儀器的透明玻 璃板5 ，把其上的被測截面理想輪廓經(jīng)儀器的放大系統(tǒng)顯示在屏幕3 上。當(dāng)儀器的測頭在選定 的被測截面上移動時，透明玻璃板5 就同步移動，從屏幕3 上看到被測截面理想輪廓的影像l 也同步移動。在屏幕中央有一個固定不動的模擬測頭2 ( 儀器的測頭為球形測頭時，用一個圓來 模擬，見圖1 3 中的實線畫的圓) 。如果實際被測截面輪廓與其理想輪廓相同，那么，在測量過 程中，屏幕上顯示的被測截面理想輪廓影像與模擬測頭始終保持相切，前者沿后者運(yùn)動。倘若 實際被測截面輪廓有誤差，則屏幕上顯示的理想輪廓影像會相對于模擬測頭“分離”或“進(jìn)入”， 它們不會始終相切。 在屏幕上可以用這樣兩個同心圓( 見圖中的雙點劃線畫的兩個圓) 之間的區(qū)域來表示允許的 分離量和進(jìn)入量的范圍，它們的圓心為模擬測頭的中心，它們分別位于模擬測頭的兩側(cè)，它們： 分別至模擬測頭的距離皆為面輪廓度公差值的一半乘以儀器放大系統(tǒng)所選用的放大倍數(shù)。 在整個測量過程中，屏幕上顯示出被測截面理想輪廓的影像相對于模擬測頭的運(yùn)動，該影 像只要不超越上述兩個同心圓之間的區(qū)域，則表示合格。 3 ) 截面樣板測量法 根據(jù)被測零件上若干個截面的理想線輪廓，制作若干個截面輪廓樣板。如圖1 4 所示，檢 測時，將若干個截面樣板分別放到指定位置上。測得各截面上樣板與被測面之間的最大間隙， 取所有截面中最大間隙值就是該零件得面輪廓度誤差。 圖1 4 截面樣板測量法 4 ) 坐標(biāo)測量法 坐標(biāo)法就是用具有空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)的儀器測得實際輪廓空間坐標(biāo)值，用以與理想輪廓坐 3 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 標(biāo)值進(jìn)行比較，取其中最大差值的兩倍作為該零件的面輪廓度誤差。 采用三坐標(biāo)測量裝置進(jìn)行測量時無需輪廓樣板，只需要零件的c a d 數(shù)學(xué)模型( 零件的三 維設(shè)計圖形) ，因此該測量方法可應(yīng)用于任何場合且測量數(shù)據(jù)可靠。 目前，用來采集物體表面三維坐標(biāo)的測量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。根據(jù) 測頭是否和零件表面接觸可分為接觸式與非接觸式兩類。 接觸測量法以三坐標(biāo)測量機(jī)測量為典型代表。三坐標(biāo)測量機(jī)【4 1 ，4 2 l 的測量精度高，對環(huán)境( 如： 溫度、濕度、防振等) 要求也高。 由于測量時測頭在工件上要逐點測量，所以測量速度較慢。 另外還要求被測零件的材質(zhì)不能太軟，尺寸不宜過大且不易變形。 非接觸測量法以結(jié)構(gòu)光法為典型代表，該測量方法一次獲取物體表面的數(shù)據(jù)( 點坐標(biāo)) 多， 測量范圍大，對被測量物體的材質(zhì)沒有要求，特別適合于面積大且易變形的覆蓋件類零件的測 量。又由于結(jié)構(gòu)光三維視覺對景物或物體三維信息提取方便、快捷，且大量的點云數(shù)據(jù)在計算 機(jī)中處理快捷、準(zhǔn)確，因此在測量中占有重要地位。 結(jié)構(gòu)光法是將激光器發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)形成某種形式的光，包括點、單線、多線、 單圓、同心多圓、網(wǎng)格、十字交叉、灰度編碼圖案、顏色編碼圖案和隨機(jī)紋理投影等投向景物， 在景物上形成圖案并由攝像機(jī)攝取，而后由圖像根據(jù)三角法和傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算、得到 景物表面的深度圖像，進(jìn)一步計算出物面的三維坐標(biāo)值。 光柵投射器 2 圖1 5 結(jié)構(gòu)光法測量原理 如圖1 5 所示，結(jié)構(gòu)光法以非接觸式幾何光學(xué)法測量微型元件的形貌輪廓作為理論基礎(chǔ)， 由光柵投射器將被調(diào)制過的編碼條紋光柵投射至待測物表面，再以兩臺數(shù)碼攝像機(jī)作取像動作， 得到投射到物體表面的變形的條紋圖像，條紋的變形程度取決于光柵投射器與攝像機(jī)之間的相 對位置和物體表面形廓( 高度) 。直觀上，條紋在法線方向的位移( 或偏移) 與物體表面高度 變化成正比，條紋的扭結(jié)表示平面的變化，不連續(xù)表示表面的物理突變或間隙。當(dāng)光柵投射器 與數(shù)碼攝像機(jī)之間的相對位置一定時，由攝像機(jī)攝得變形的條紋圖像，通過工作站計算機(jī)來解 調(diào)圖像信息，最后利用合并g r a y 碼與相位移法計算得到絕對相位，配合三角法測量原理，便可 4 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 重現(xiàn)物體表面形廓。 1 3 軌道車門輪廓度自動檢測裝置基本要求 軌道車門門板有兩種類型，平門和單曲率彎門，其面輪廓度自動檢測裝置基本要求分為三 部分： 測量范圍的要求：焊接后的門框架( 3 0 0 0 1 5 0 0 3 5 ) m m ，固化后的整體門板( 3 0 0 0 1 5 0 0 3 5 ) m m ，測量深度5 0 0 m m 。 測量速度的要求：以每日單產(chǎn)1 0 0 扇門計，分兩班檢驗，每班每日檢5 0 扇門，檢驗一 扇門的時間不能超過9 分鐘，即l 扇門9 分鐘。 測點分布的要求：測點數(shù) 4 8 ，測點位置可調(diào)；x 向測點數(shù) 4 ，y 向測點數(shù) 1 2 。 測量精度的要求：整個裝置的綜合誤差o 1 m m 。 地鐵列車車門結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 6 所示： y 峰： j 舞譬， 圖1 6 地鐵列車車門示意圖 1 4 本論文的研究方法及研究任務(wù) 1 4 1 研究方法 在1 2 2 小節(jié)所述的四種方法中，仿形測量法和截面輪廓樣板測量法精度較低；截面輪廓樣 板法和光學(xué)跟蹤法都是用測量線輪廓度誤差來評定面輪廓度誤差，不符合面輪廓度誤差的定義， 會引起較大的測量誤差，被測截面的數(shù)目也會影響測量精度，影響測量的效率和經(jīng)濟(jì)性，因此 它們都只適用于成批生產(chǎn)中測量面輪廓度精度要求不高的零件，而對單件小批量生產(chǎn)的零件， 特別是精度要求較高的零件，應(yīng)采用坐標(biāo)法測量。 坐標(biāo)測量法以三坐標(biāo)測量機(jī)為典型代表，根據(jù)軌道車門面輪廓度檢測裝置基本要求可知， 地鐵列車門尺寸較大，要求測量速度為9 分鐘門，而三坐標(biāo)測量機(jī)測量速度和測量尺寸都受 限，測量效率不高，且價格昂貴成本相對較高。根據(jù)地鐵列車門單曲度的特點，可以考慮將一 個測頭更換為多個測頭，在一個方向掃描工件，從而將三維測量轉(zhuǎn)化為一維測量，因此，從經(jīng) 5 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 濟(jì)性可行性角度出發(fā)，本論文提出以三坐標(biāo)測量法為基礎(chǔ)，自行設(shè)計一套專用的單曲面車門面 輪廓度自動檢測裝置。 1 4 2 研究任務(wù) 根據(jù)軌道車門面輪廓度自動檢測裝置基本要求及預(yù)選用的研究方法，本論文研究任務(wù)分為 以下幾部分：根據(jù)地鐵列車門特點及其檢測要求，完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計；完成檢測系統(tǒng)機(jī)械 系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計：完成系統(tǒng)軟件設(shè)計；完成實驗及面輪廓度的評定。 1 s 論文內(nèi)容安排 本論文以單曲度地鐵列車門為檢測對象，研究軌道車門面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計，具 體內(nèi)容安排如下： 第一章論述全文的研究背景和意義，介紹面輪廓度測量的幾種方法和軌道車門輪廓度自動 檢測裝置的基本要求，從測量的經(jīng)濟(jì)性、可行性出發(fā)，提出自行設(shè)計一套專用的單曲面車門面 輪廓度自動檢測裝置。 第二章介紹面輪廓度自動檢測裝置的總體方案設(shè)計。具體包括機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計，及控制 系統(tǒng)總體設(shè)計，并根據(jù)檢測裝置的設(shè)計要求進(jìn)行誤差分配。 第三章進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)部分設(shè)計，包括基座及工作臺材料的選擇，龍門結(jié)構(gòu)的設(shè)計，傳感器 架的設(shè)計，主傳動系統(tǒng)的設(shè)計等。 第四章進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)控制要求選擇多功能數(shù)據(jù)采集卡作為控制單元，然后進(jìn) 行伺服系統(tǒng)，步進(jìn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計。 第五章進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計，根據(jù)要完成的檢測任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計和計算機(jī)控制界面設(shè) 計，進(jìn)而對各個子模塊做詳細(xì)設(shè)計，并完成測量結(jié)果不確定度分析。 8 第六章進(jìn)行實驗驗證，搭建實驗平臺，完成實驗，并進(jìn)行面輪廓度評定。 第七章對全文研究工作進(jìn)行總結(jié)，指出本文工作的不足和需要改進(jìn)之處。 6 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計 針對地鐵列車門的單曲度特點并結(jié)合軌道車門輪廓度自動檢測裝置的基本要求，本文提出 自主設(shè)計一套專用的單曲面車門面輪廓度自動檢測裝置，并進(jìn)行測量系統(tǒng)總體方案的設(shè)計。同 時，根據(jù)檢測精度要求進(jìn)行誤差分配。 2 1 軌道車門輪廓度自動檢測裝置檢測總體方案設(shè)計 。 2 1 1 檢測系統(tǒng)方案設(shè)計 根據(jù)檢測裝置設(shè)計基本要求可知，要求檢測速度為9 分鐘門，測量點數(shù)大于4 1 2 個點， 。且位置可調(diào)，考慮到工件形狀特點：單曲率或者平門，可以簡化測量方式，將三維測量轉(zhuǎn)化為 一維測量。思路如下：將一個測頭變?yōu)槎鄠€測頭( 可安裝1 2 個測頭) ，所有測頭定間距直線分 布，沿一個方向直線掃描工件，將三軸運(yùn)動轉(zhuǎn)化為一軸運(yùn)動；在測量前使用工件模板對測頭進(jìn) 行標(biāo)定，將三維測量轉(zhuǎn)化為一維測量。蕾f 根據(jù)上述思路設(shè)計檢測裝置，檢測裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 1 所示。 4 5 1 一龍門支架2 一絲杠3 一步進(jìn)電機(jī)4 圓柱導(dǎo)軌5 傳感器架6 一工件7 一標(biāo)定 模板8 一工作臺9 一基座1 0 一伺服電機(jī)l l 一傳感器 圖2 1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 平臺采用龍門式機(jī)構(gòu)帶動測頭掃描工件，可降低整個檢測裝置的系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)測量 7 區(qū) z 基于軌道車門的面輪廓度自動檢測裝置的設(shè)計 精確度。在x 方向上，由伺服電機(jī)l o 帶動龍門機(jī)構(gòu)l 直線掃描工件6 ；在y 方向上，十二只 傳感器ll 并排安裝在傳感器架5 上，傳感器可以沿傳感器架移動，左右調(diào)節(jié)測頭間距，上下調(diào) 節(jié)測頭伸出長度；在z 方向上，由步進(jìn)電機(jī)3 驅(qū)動，傳感器架可上下移動，以適應(yīng)不同批次、 不同型號的車門測量以及標(biāo)定過程。 2 1 2 機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計 根據(jù)檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計，檢測裝置機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計主要包括以下幾個部分：基座及支 承件的材料選擇，主傳動系統(tǒng)和z 向傳動系統(tǒng)的設(shè)計，以及龍門結(jié)構(gòu)和傳感器架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及 校核。 p 1 ) 主傳動系統(tǒng)及z 向傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)指x 軸傳動系統(tǒng)，負(fù)責(zé)帶動龍門結(jié)構(gòu)及傳感器測頭掃描工件，要求定位精度高， 傳動平穩(wěn)，因此對于電機(jī)的控制精度，滾珠絲杠定位精度以及導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度要求較高。z 向 傳動系統(tǒng)帶動傳感器架上下移動，以方便工件的安裝及不同型號、不同批次的車門的測量，對 于定位精度，運(yùn)行速度要求不高。傳動系統(tǒng)的設(shè)計具體包括滾珠絲杠副的設(shè)計、導(dǎo)軌的選用、 電機(jī)的選擇與計算等。 2 ) 龍門結(jié)構(gòu)的設(shè)計 龍門結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)承載z 向傳動裝置及傳感器架和傳感器，要求設(shè)計簡潔，重量輕，變形小， 龍門結(jié)構(gòu)整體安裝在x 向運(yùn)動導(dǎo)軌上。 3 ) 傳感器架的設(shè)計 傳感器架有承載定位傳感器的功能，要求傳感器能沿傳感器架左右移動調(diào)整傳感器間距， 上下移動調(diào)節(jié)伸出長度。整體要求設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，采用合理的定位、夾緊方案，保證工 件的測量精度要求。 2 1 3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計 控制系統(tǒng)采用多功能數(shù)據(jù)采集卡作為控制單元，使用p c 機(jī)加多功能數(shù)據(jù)采集卡的控制方 式，主要實現(xiàn)以下功能：電機(jī)控制功能，包括伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制：信號采集功能 包括伺服電機(jī)編碼盤信號的采集和位移傳感器信號的采集?？刂葡到y(tǒng)總體框圖如圖2 2 所示， 工作原理如下：根據(jù)檢測目的，通過多功能數(shù)據(jù)采集卡輸出運(yùn)動控制信號，控制步進(jìn)電動機(jī)及 伺服電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)及伺服電機(jī)完成需求運(yùn)動，同時采集編碼盤反饋信號( 實時反 饋龍門機(jī)構(gòu)位置) 和位移傳感器輸出信號完成待測點數(shù)據(jù)采集。 8 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 i ：! 塑h 罌劃一 多 功 端 能 子 數(shù) 據(jù) e 燮卜圓p 板 采 集 卡 i 位移傳感器l 圖2 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 2 2 精度設(shè)計與誤差分配 為了保證最終檢測裝置的測量結(jié)果符合測量精度要求，在進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計之前需要進(jìn)行 誤差分配，同時也為具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計提供依據(jù)。 2 2 1 誤差的基本概念 1 ) 誤差的定義 當(dāng)對某物理量進(jìn)行檢測時，所得的數(shù)值與標(biāo)稱值( 或真值) 之間的差稱為誤差【5 1 。即 真誤差值= 測量值標(biāo)稱值 用符號表示為式2 - 1 ： ； i = 謚i - x b ( i - l n )。( 2 1 ) 式中：廣真誤差值； x 廣測量值。 扣。 x 廠標(biāo)稱值； 。 i _ 一測量次數(shù)。 誤差的大小反映了測量值對于標(biāo)稱值的偏離程度，它具有以下特點： 任何測量手段無論精度多高，總是有誤差存在。即真誤差是客觀存在的，永遠(yuǎn)不 會等于零。 多次重復(fù)測量某物理量時，各次的測量值并不相等，這是誤差不確定性的反映。 只有儀器的分辨率太低時才會出現(xiàn)相等的情況。 真誤差是未知的，因為真值通常是未知的。 2 ) 誤差的分類 按照誤差來源分類可將誤差分為以下幾種【3 0 】： ( 1 ) 設(shè)備誤差，也稱為器具誤差