轴系空间运动测试及误差运动分析--《大连理工大学》2015年硕士论文
轴系空间运动测试及误差运动分析
【摘要】：轴系中的回转轴,其理想运动是单自由度的回转运动,而真实运动状态则是复杂的空间六自由度运动,实际运动偏离理想运动的部分即为误差运动。本文以刚体运动学为基础,描述了回转轴的空间运动,揭示了轴系的误差运动测试与回转轴空间六自由度位姿的内在联系,并对误差运动的大小进行了评价和衡量。为准确分析轴系回转精度、研制空间误差运动测试装置提供了理论依据,具有一定的实用价值和应用前景。首先,将回转轴的运动等效为刚体的空间六自由度运动,采用齐次坐标变换的方法描述了回转轴的空间位姿,得到了轴上的观测点在静坐标系下的位移与刚体六个自由度的运动分量之间的关系,提出了轴系空间误差运动的概念,并分析了误差运动测量结果与回转轴的空间位姿之间的关系。其次,分析了回转轴径向运动的频率分量和周期特性,提出了四点正交差分法来实现轴系的径向误差运动测试,通过MATLAB算例对该方法进行验证。在此基础上,设计了轴系空间误差运动的试验方案,在两个平行截面上采用四点法,同时在轴端面进行轴向测量,通过计算可得到空间五个自由度的误差运动分量。对回转误差测试试验台进行改造,并对由试验台安装误差导致的系统误差进行了简要分析。空间误差运动试验共进行了三组,按空间方向误差和位置误差对轴系的空间误差运动进行数值评价,倾角运动的球面最小包络圆直径为0.107281μm,对应绕X轴和Y轴的最大倾角分别是0°0'13.57″和0°0'9.30",径向运动轨迹的平面最小包络圆直径为26.7563μm,轴向运动的曲线峰谷差值为9.324μm,符合一般精度轴承装配起来的简单轴系的回转精度情况。最后,用动态测量不确定度对径向误差运动的单圈重复性进行了分析,按最大极差评价为8.6675μm,按最大标准差评价为2.8896μm,说明了径向误差运动具有一定的单圈重复性。对径向传感器测量数据的多圈周期性进行了分析,在另外两组连续40圈回转的测试中,测量数据波动周期约为5圈,基本符合计算结果。
【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TH113.2;TH133.2【目录】：
摘要4-5Abstract5-91 绪论9-18 1.1 课题研究背景及意义9 1.2 国内外研究现状9-12
1.2.1 轴系回转精度的理论研究9-10
1.2.2 轴系回转误差的测量方法研究10-12 1.3 轴系误差运动的现有测试方法12-17
1.3.1 径向回转误差测试12-16
1.3.2 倾角方向、轴向及三维回转误差测试16-17 1.4 本课题研究内容17-182 轴系的空间误差运动理论18-23 2.1 刚体的空间运动表示18-19 2.2 回转轴的空间运动表示19-21 2.3 轴系的空间误差运动及其测试的概念21-22 2.4 本章小结22-233 径向误差运动的测试方法23-35 3.1 回转轴径向运动的特征23-26
3.1.1 径向运动的频率分量23-24
3.1.2 径向运动的周期性24-26 3.2 四点正交差分法的原理26-30
3.2.1 轴心径向误差运动轨迹的递推关系26-28
3.2.2 整周的轴心径向误差运动轨迹28-30 3.3 MATLAB算例验证四点法30-34 3.4 本章小结34-354 轴系空间误差运动试验方案35-49 4.1 试验原理35-37 4.2 试验台主要设备及试验步骤37-42 4.3 试验台的系统误差分析42-48
4.3.1 径向测试传感器不同心引起的原理误差42-46
4.3.2 径向测试传感器整体安装偏心引起的原理误差46-47
4.3.3 轴端面测试传感器的安装误差引起的原理误差47-48 4.4 本章小结48-495 试验数据处理及分析49-75 5.1 试验数据处理方法及空间误差运动数值评价方法49-56
5.1.1 测试数据处理过程49-53
5.1.2 回转轴的空间方向误差数值——倾角运动53-54
5.1.3 回转轴的空间位置误差数值——径向运动和轴向运动54-56 5.2 试验数据结果56-67
5.2.1 第一组试验56-60
5.2.2 第二组试验60-63
5.2.3 第三组试验63-67 5.3 试验结果分析67-74
5.3.1 被测轴系的空间误差运动67-68
5.3.2 数据的单圈重复性分析68-72
5.3.3 数据的多圈周期性分析72-74 5.4 本章小结74-75结论75-77参考文献77-80附录A 部分试验测试数据80-84致谢84-85
欢迎：、、)
支持CAJ、PDF文件格式
【参考文献】
中国期刊全文数据库
马宏;;[J];长春光学精密机械学院学报;1983年04期
张宇华,王晓琳;[J];光学精密工程;1998年05期
阚光萍;[J];航空精密制造技术;1999年03期
王卫东;翟超;陈柯;;[J];计量学报;2006年01期
朱训生;薛秉源;贝季瑶;;[J];上海交通大学学报;1990年04期
张华容;坂口博己;;[J];振动.测试与诊断;1985年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库
颜焱;王鑫;;[J];安徽职业技术学院学报;2010年02期
刘秉琦;孙东平;华文深;骆新新;;[J];半导体光电;2008年05期
李迪凡;朱玉琴;李泽华;;[J];兵工自动化;2012年03期
王有仁,周立民,吴一为;[J];兵工学报;1997年01期
方之缜;[J];北京工业大学学报;1984年04期
曹志清,张雅琴,赵惠清,林培峰;[J];北京化工大学学报(自然科学版);2000年03期
徐永凯,王信义;[J];北京理工大学学报;2000年01期
高长福,付长缨;[J];编辑学报;2004年02期
孙向阳;段洁;李杰;;[J];长春大学学报;2009年12期
马宏;;[J];长春光学精密机械学院学报;1983年04期
中国重要会议论文全文数据库
刘长岭;张泽宇;杨宁;;[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅱ[C];2011年
周兴义;居波;;[A];2009年全国测绘仪器综合学术年会论文集[C];2009年
袁庆忠;周兴义;;[A];2009年全国测绘仪器综合学术年会论文集[C];2009年
徐向兰;王静;姜合萍;王佰超;;[A];全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2009年
罗海燕;翟超;金熠;;[A];第十七届全国测控计量仪器仪表学术年会（MCMI'2007）论文集（上册）[C];2007年
王宝全;李世义;谷宏强;尹洪东;;[A];'2002系统仿真技术及其应用学术论文集（第四卷）[C];2002年
董吉洪;;[A];增强自主创新能力促进吉林经济发展——启明杯·吉林省第四届科学技术学术年会论文集（上册）[C];2006年
孙永江;鲁新龙;孙步友;;[A];第十七届中国小电机技术研讨会论文集[C];2012年
刘炳强;李景林;齐光;孙斌;;[A];中国空间科学学会2013年空间光学与机电技术研讨会会议论文集[C];2013年
中国博士学位论文全文数据库
李智;[D];山东大学;2011年
周大帅;[D];北京工业大学;2011年
蔡盛;[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年
杨亮;[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2011年
李清军;[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2000年
龚蓬;[D];合肥工业大学;2000年
亓四华;[D];合肥工业大学;2001年
王助贫;[D];大连理工大学;2002年
王悦勇;[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2003年
粟时平;[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库
王庆男;[D];大连理工大学;2010年
宋微;[D];哈尔滨理工大学;2010年
徐炳炎;[D];浙江大学;2011年
尹文怡;[D];石家庄铁道学院;2009年
石卫协;[D];南京理工大学;2011年
张尊天;[D];长春理工大学;2011年
王俣;[D];长春理工大学;2011年
袁德亮;[D];南京航空航天大学;2010年
王振亚;[D];哈尔滨工业大学;2011年
任彦玲;[D];华中科技大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库
李迅波;[J];电子科技大学学报;1998年02期
姜文汉;凌宁;;[J];光学工程;1980年04期
陈晓东,李为民,李静,邢晓正;[J];光学技术;2000年01期
肖怀;;[J];吉林工业大学学报;1983年03期
朱训生,贝季瑶;[J];上海交通大学学报;1988年04期
束永生，伍小平;[J];实验力学;1995年01期
束永生，伍小平;[J];实验力学;1995年01期
王宝玉;;[J];宇航计测技术;1986年04期
韩良，芮小健，钟秉林;[J];制造技术与机床;1994年02期
【相似文献】
中国期刊全文数据库
李震;杜润生;卢文祥;陈小鸥;;[J];振动、测试与诊断;1989年04期
周向;陈锋;吴琴;;[J];科技资讯;2011年01期
黄长艺;[J];华中工学院学报;1978年01期
黄长艺;[J];磨床与磨削;1978年03期
ЮровскийВ.С.;王秀华;;[J];橡胶参考资料;1980年10期
沢边雅二;何雅全;;[J];江苏机械;1982年03期
沢辺雅二;何雅全;;[J];江苏机械;1982年03期
松田■三;冈崎章三;李文;;[J];国外机车车辆工艺;1984年01期
石磊;[J];发电设备;1987年03期
;[J];发电设备;1987年05期
中国重要会议论文全文数据库
方明;;[A];2008年江苏省计量测试学术论文集[C];2008年
中国重要报纸全文数据库
;[N];中国包装报;2006年
中国硕士学位论文全文数据库
陈锋;[D];湖北工业大学;2009年
娜仁;[D];大连理工大学;2015年
&快捷付款方式
&订购知网充值卡
400-819-9993
《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司
同方知网数字出版技术股份有限公司
地址：北京清华大学 84-48信箱 大众知识服务
出版物经营许可证 新出发京批字第直0595号
订购热线：400-819-82499
服务热线：010--
在线咨询：
传真：010-
京公网安备75号404 - 找不到文件或目录。
404 - 找不到文件或目录。
您要查找的资源可能已被删除，已更改名称或者暂时不可用。回转轴运动精度的干涉测量与误差补偿分析
回转轴运动精度的干涉测量与误差补偿分析
发布: | 作者:－－ | 来源: －－ | 查看:269次 | 用户关注：
摘 要: 采用激光干涉仪检测混联数控机床回转轴的运动精度, 达到对其综合评价的目的, 为机床的运动精度误差补偿做准备. 对雷尼绍激光干涉仪的结构和角度测量原理进行了详细探讨, 分析了干涉仪在回转轴运动精度测量中的主要影响因素和误差诱因; 作出了角度测量中正弦近似误差特性曲线, 并提出了该测量误差的数学模型; 讨论了激光波长补偿的机理, 提出了一种通用、简便易行的回转轴角位移精度检测方法.
　　摘 要: 采用激光干涉仪检测混联数控机床回转轴的运动精度, 达到对其综合评价的目的, 为机床的运动精度误差补偿做准备. 对雷尼绍激光干涉仪的结构和角度测量原理进行了详细探讨, 分析了干涉仪在回转轴运动精度测量中的主要影响因素和误差诱因; 作出了角度测量中正弦近似误差特性曲线, 并提出了该测量误差的数学模型; 讨论了激光波长补偿的机理, 提出了一种通用、简便易行的回转轴角位移精度检测方法.
　　关键词: 计量学; 激光; 混联机床; 干涉测量; 精度; 补偿
　　数控机床回转轴回转运动的位置精度是工件或刀具位置基准、运动基准的关键影响因素, 因此也决定着机床的几何精度和工作精度[ 1] . 而回转轴回转运动的位置精度主要用其转动定位精度和重复定位精度来评价, 传统上主要使用电子测微计, 准直仪等工具来检测, 电子测微计分辨率为0. l~ 0. 01 Lm,需要与其它传感器共同组成测量系统, 准直仪精度虽可达0. 01 s, 但测量量程很小, 且二者相对于激光干涉仪( 分辨率为0. 001 Lm) 都存在精度低, 受环境温度影响大, 检验重复性差等缺点, 难以反映受检机床的真正精度. 在国际标准中激光干涉仪是唯一公认的进行数控机床精度检定的仪器[ 2] , 但国内的激光干涉仪在高精度、高分辨率方面尚难以满足要求,而Renishaw 单频激光干涉仪测量和校准精度之高更是首屈一指, 应用甚广. 以往的研究对Renishaw激光干涉仪的角度测量原理、精度影响因素及其误差补偿涉及较少. 本文结合实验室正在开发的混联车铣复合加工中心, 采用Renishaw 激光干涉仪对机床第二回转轴回转运动位置精度进行检测, 提出了一种简便易行的检测方法, 并对角度测量原理, 影响测量精度的因素及正弦近似误差补偿、波长补偿进行了探讨.
　　1 干涉仪结构与角度测量原理
　　氦氖激光器利用双纵模稳频, 发出的双频激光束经K/ 4 波片, 由圆偏振光变为线偏振光, 再被角度干涉镜下部的偏振分光棱镜去掉一个频率而得到单频激光输出[ 3] , 在偏振分光棱镜处单频激光束成正交一分为二, 一条光束直接通过偏振分光棱镜, 传到角度反射镜的下半, 被角度反射镜的下棱镜反射经干涉镜返回激光器形成参考光路. 另一条光束呈90&反射至角度干涉镜上半的光束偏转器, 再被传至角度反射镜的上半, 最后角度反射镜的上棱镜反射此光束, 使之通过干涉镜返回到激光器内形成测量光路. 参考光束和测量光束在通过干涉镜时汇合, 合成后仍保持各自的偏振态, 经过K/ 4 波片以后又转换成旋转偏振光, 然后被水平、垂直和45&方向放置的检偏器2 和光电接收器所接收( 图1) .
　　式中: A0 为信号的直流分量; A 为信号的交流分量( 有用分量) ; x 为位移. 上述信号接入运算放大器,通过自调节增益使直流分量为零, 再通过高速A/ D采集转换和调用查表存储器数值实现高速和高分辨率测量. 进行角位移测量时, 存在角度反射镜相对于角度干涉镜的旋转, 这导致参考光路与测量光路两条光束之间存在光程差. 光程差L 满足下式:
　　其中: k 为干涉级次; K为激光在空气中的波长; N 为计数器记录的通过固定点的亮条纹数; m、n 分别为系统光路和电路的倍频数. 每一次光程差改变时, 在相长性和相消性干涉的两极间会有变动信号, 这种变动在激光器内会产生相对于某固定点的干涉条纹的移动[ 4] , 光栅计数器计数通过该点的亮条纹数, 即可得到光程差改变D, 而角度反射镜中两个反光镜之间的公称间距S 一定, 从而检测出回转轴转过的角度值s,得出回转轴回转精度. 所测量的角度满足下式:
　　2 混联车铣床回转轴运动精度检测
　　称目标, 在此为0&; H 表示采样间隔, 在此取为10; n取36, 即测量一周. 使车铣复合机床回转轴顺时针转10&, 并使RX10 回转轴工作台反转至恰好等于基准位置与理论目标位置之间的角度, 采集第一个目标位置( 10&) 的角度定位误差. 根据PMAC 程序, 机床回转轴旋转到第二个公称目标位置( 20&) , 而RX10 回转轴工作台同样反转, 旋转角度恰好等于两个目标位置之间的角度, 以采集第二个目标位置的角度定位误差. 每10&一个测量起点, 车铣复合机床回转轴旋转一周测量36 个数据为一组; 共测七组数据. 从而测出机床回转轴某次安装调试状态下未补偿的定位精度和重复定位精度. ( 见表1, 图2) ;
　　3 回转精度干涉测量的误差分析
　　测量精度除校准误差、安装定位误差、热膨胀误差等可以通过人为调整使之最小化并控制在测量精度范围内以外, 从原理上影响测量精度的因素主要有: 正弦近似误差和波长误差. 而提高测量精度的最佳方案是设计补偿光路或对测试数据进行数学模型补偿[ 5-7] .
　　3. 1 正弦近似误差
　　测量系统是将角度的变化转换为光程差的变化来测量的, 被测转角和两相干光束的光程差成正弦关系, 当被测转角很小时, 用线性关系近似[ 8-9] , 角度近似值为:
　　其中: S 是角度反射镜中一对反光镜之间的已知公称间距; D 是测量光路和参考光路之间的光程差改变. 随着测量角度的增加, 近似值的误差会相应增大.
　　据表2 作出角度测量误差特性曲线( 见图3) :根据最小二乘法拟合得出Renishaw 激光干涉仪的角度测量正弦近似误差数学模型为
　　在测量回转轴运动精度或类似的角位移精度时, 根据角度测量误差数学模型, 对式( 3) 的测量角度进行误差补偿, 尤其当测量值大于&1&时, 采用误差补偿可以获得更高的测量精度.
　　3. 2 波长误差
　　回转轴的角位移测量精度主要取决于已知的激光束波长的精度[ 10]. 激光束的波长由下式决定:
　　将式( 10) 和通过EC10 环境补偿仪测出的现场环境的气温t、气压p 和湿度f 代入式( 10) , 然后与式( 6) 联立, 即可得出实际波长进而实现激光波长的补偿. 当光束的光程差变化较小、测量精度要求不高、环境因素变化很小时也可忽略激光波长的误差.
　　通过上述误差补偿, 系统的精度可达到& 0. 7 x 10- 6 , 激光稳频精度可达& 0. 05 x 10- 6 .
　　4 结 论
　　通过采用激光干涉仪检测混联车铣复合加工中心的回转轴运动精度, 对雷尼绍激光干涉仪的结构和角度测量原理进行了详细探讨; 分析了干涉仪在角位移测量中测量精度的主要影响因素和系统误差. 作出了基于正弦近似的角度测量原理的误差特性曲线, 并提出了运用该原理测量角度的误差数学模型. 探讨了激光波长补偿的机理. 提出了一种适合于类似回转轴角位移精度测量的, 简便易行的干涉测量方法及提高测量精度应采取的误差补偿措施;认为采用Renishaw 激光干涉仪检测机床回转轴运动精度, 精度高, 简便易行, 可进行多标准数据分析和采集, 能自动实现对线性误差的补偿, 但也存在光路调节较难, 不能多路分光使用的弱点. 选用自动误差补偿软件, 使之产生G 代码驱动机床, 以获取和比较定位数据, 进而重写机床螺距均差补偿文件,实现对机床的定量评价, 以提高机床精度, 是下一步要进行的工作.
　　参考文献:
　　[ 1] 张虎, 周云飞, 唐小琦等. 基于激光干涉仪的数控机床运动误差识别与补偿[ J] . 中国机械工程, ) : .
　　[ 2] Ikram M as roor, H ussain Ghazanf ar. Mich els on Int erf erom et erf or Precision An gle Measur ement [ J] . Applied Opt ics, ) : 113-120.
　　[ 3] 殷纯永. 现代干涉测量技术[ M ] . 天津: 天津大学出版社,3.
　　[ 4] 吕海宝. 激光光电检测[ M ] . 长沙: 国防科技大学出版社,, 99-105.
　　[ 5] Ngoi B K A, Chin C S. Self-Compensat ed H eterodyne Las er Interf erom et er [ J ] . Int emat ional J ou rnal Advanced M anuf actureT ech nology, 7- 219.
　　[ 6] Ondrej Cip, Frant isek Pet ru. A S cal e Line Arizat ion Methodf or Precise Laser Int erferometry [ J] . Measurement Science &T ech nology, 3- 141.
　　[ 7] 黎永前, 李晓莹, 朱名铨. 纳米精度外差式激光干涉仪非线性误差修正方法研究[ J] . 仪器仪表学报, ) : 542-546.
　　[ 8] 陶卫, 金增伟, 赵辉. 激光干涉任意转角测量的信号线性化处理方法[ J] . 光电子# 激光, ) : 71- 75.
　　[ 9] T ao Wei, Pu Zhaobang, Zhang Zhuo. Grat ing Wedge Dis k an dIt s Ap pl icati on in the Measur ement of Rotat ing Angl e [ J ] .Journ al of Opt olect ron ics# Laser, ) : 371-373.
　　[ 10] 李岩, 花国梁. 精密测量技术( 修订版) [ M] . 北京: 中国计量出版社, 0.
　　[ 11] 张琢, 陈中, 钟丽. 基于模式搜索法的低气压段Edlen 公式的改进[ J] . 计量学报, ) : 221-224
本页面信息由华强电子网用户提供，如果涉嫌侵权，请与我们客服联系，我们核实后将及时处理。
应用与方案分类
&&& 目前，处理器性能的主要衡量指标是时钟工具类服务
编辑部专用服务
作者专用服务
带有回转轴的数控机床运动误差模型及参数辨识
作者单位：
天津大学机械工程学院
母体文献：
全国生产工程第八届学术大会暨第三届青年学者学术会议论文集
会议名称：
全国生产工程第八届学术大会暨第三届青年学者学术会议
会议时间：
会议地点：
主办单位：
中国机械工程学会
在线出版日期：
相关检索词
万方数据知识服务平台--国家科技支撑计划资助项目（编号：2006BAH03B01）(C)北京万方数据股份有限公司
万方数据电子出版社}