基于无衍射光的同轴度误差测量系统软件开发-精密仪器及机械专业论文.docxVIP

华中科技大学硕士学位论文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 PAGE PAGE 10 1 绪论 1.1 课题来源 课题来自于工程实践及国家 973 项目：掘进系统的位姿测量与自动导向(项目编号： 2007CB714005)。 1.2 同轴度测量系统研究的意义 中国是制造大国，而不是制造强国。因为我国的工程机械水平还比较落后，特别是 一些大型的机械设备，中国与国外的先进水平有非常大的差距。中国最近大力发展大型 舰船、大飞机就说明了国家对大型机械的重视。制约我们的制造大型设备水平的因素有 很多，其中很重要的一条就是加工精度和安装精度，而精密测量对于安装精度和加工精 度又存在着非常关键的影响。在大型机械设备加工与使用中，旋转机械以及圆柱形零件 对设备的使用寿命以及传动精度的影响至关重要，所以如何提高旋转机械的加工精度和 检测轴系的同轴度公差是机械工业加工中的关键部分。英国皇家研究机构的一份调查报 告指出，50 %以上的机器故障都是由于传动设备联轴器不对中引起的[1-3]。 1.2.1 系统的研究目的 现有的同轴度测量的激光测量方法，如三点法、光纤法、激光干涉仪测量方法以及 利用激光的衍射、偏振、干涉等特性改变激光基准的能量形式进行测量等，都有各自的 优势和独特的性能，但是又存在各种不足和缺点。例如三点法解决了激光的漂移问题， 但是接收点不能偏移像点否则会出现原理性的错误；光纤法入射点的耦合位置会影响激 光的耦合效率；激光干涉仪分辨率很高可以达到 0.4um，但是只能用于一维准直。 以无衍射光束为基准，应用软件技术对现有图像进行分析，发展了这样一种新的同 轴度误差测量系统。该测量系统是以无衍射光束作为空间直线基准，结合图像采集卡、 CCD 传感器等光学设备。此系统基准稳定，操作简单方便，可用于远近距离的内孔同 轴度误差测量。 在整个测量系统中，比较关键的部分除了无衍射光基准之外就是图像处理的软件系 统，软件系统决定了测量的效率和测量结果的精确度。软件系统在整个测量过程中起到 了非常重要的作用，从开始测量前基准的调整定位，测头的安装，到测量时数据的采集、 处理，软件系统都起到了非常重要的作用。由于无衍射光图像的特殊性，即其中心不会 随着距离的变化而变化，所以在每一测量点处正截面圆中心的变化就等同于无衍射光图 像中心的变化。由于无衍射光基准的优势，一般本测量系统应用于精密测量中，被测的 精密零件必然误差较小，对应于图像中中心位置变化也会很小，由于图像中心是个非常 大的亮斑，从此亮斑中精确定位中心对于图像处理要求更高。因此在系统算法中图像处 理可以抓住这个关键点进行分析，开发一种是用于无衍射光贝塞尔函数图像的图像处理 算法，计算出精确中心。同时通过中心点绘制出误差曲线以及计算出同轴度误差。所以 图像处理算法在整个同轴度测量系统中的作用非常关键。 由此可知，为了使无衍射光同轴度误差测量系统测量更加便捷，效率、精度得到提 高，一定要有相应的软件系统与硬件系统结合使用。要实现同轴度的快速准确测量，甚 至是输出结果，就必须应用一种适合于各种距离和大小的贝塞尔图像的算法，因此，本 课题即同轴度测量系统的软件部分的研究意义重大。 1.2.2 设计目标 通过对无衍射光空间直线基准和现有的 CCD 传感器所采集到的图像的处理分析， 实现每幅图像的处理时间在一秒以内，甚至更短的时间；将计算结果的精度控制在 1 至 3 个像素以内。最终实现快速、精确的计算同轴度的软件系统。 1.3 同轴度误差测量方法 同轴度误差属于定位误差，其公差带是以基准轴线为轴线、以公差值为直径的圆柱 面区域。随着轴系校中、精密机床、大型飞机制造等技术的快速发展，同轴度的测量方 法也越来越多[4-10]。 根据国标JBT7557-94同轴度中介绍的误差检测方法知同轴度测量可分为以下几类： a. 回转轴线法；b. 准直法(瞄靶法)；c. 坐标法；d. 顶尖法；e. V形架法；f. 模拟法；g. 量规检验法[11]。上述这些测量方法所得到的测量精度都跟测量仪器的精度有关，而且基 准轴线的确定方法对同轴度的精度影响也比较大。随着现代机械对工件的制造精度和装 配精度要求越来越高，人们不断寻求同轴度的简捷快速、精密测量方法，现在的同轴度 测量方法在原有方法中改进很多[12-14]。 按照测量原理来分，目前的同轴度的测量方法主要有两种方法：一种方法是使用现 有的仪器和带指示器的测量架，并配以其他辅助设备如支撑等设备对圆柱面或者是圆锥 面进行测量，再用图解法处理测量数据求得误差，这种方法操作简单，数据处理方便， 但其测量精度不高，测量距离有限，对于被测工件尺寸大，测量精度高且测量现场条件 差的情况，有很大实现难度；另一种方法是传统光学准直方法和激光准直技术来确定基 准，传统光学准直