基于ccd的彈簧管剛度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在航天、航海、航空領(lǐng)域常用的控制器件電液伺服閥和導(dǎo)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(hào)。這些彈性元件的</p><p>　　剛度參數(shù)對(duì)相對(duì)應(yīng)的控制器件、導(dǎo)航器件的性能影響很大。隨著制造技術(shù)水平的提高以及航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)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(cè)量技術(shù)對(duì)增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力有著重要意義。</p><p>　　本文首先綜述了國(guó)內(nèi)外彈簧管剛度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展概況，并對(duì)國(guó)內(nèi)彈簧</p><p>　　管剛度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行了比較全面的總結(jié)。為了展開</p><p>　　對(duì)彈簧管剛度測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，本文根據(jù)彈簧管的

3、設(shè)計(jì)指標(biāo)成功地研</p><p>　　制了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加載、多點(diǎn)測(cè)量，并可自動(dòng)地輸出剛度曲線的剛度測(cè)量系</p><p>　　統(tǒng)。為了提高測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的精度，在測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(hào)大剛度值彈簧管剛度測(cè)量中重復(fù)測(cè)量精度差的問(wèn)題，從測(cè)量

4、系統(tǒng)的測(cè)量原理入手，在分析測(cè)量系統(tǒng)中誤差源的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了測(cè)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(duì)測(cè)量精度的影響，基于齊次坐標(biāo)變換和矢量鏈法建立了彈簧管的變形與傳感器實(shí)測(cè)變形之間的關(guān)系，并建立了誤差補(bǔ)償模型?？紤]接觸表面形貌建立了接觸力學(xué)模型和協(xié)調(diào)接觸方程，并用數(shù)值法求解接觸參數(shù)。</p><p>　　最后，本文對(duì)彈簧管剛度測(cè)量作了大量的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：接觸變形對(duì)測(cè)量精度的影響最大，臺(tái)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(shí)驗(yàn)還表明，隨著彈簧管剛度值的增大，變形對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度隨之增大。在對(duì)兩種不同測(cè)量方法的比對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大剛度值彈簧管，使用新方法會(huì)獲得較高的重復(fù)測(cè)量精度，而對(duì)小剛度彈簧管的影響不大。本文通過(guò)對(duì)不同試件有針對(duì)性地選擇測(cè)量方法，提高了測(cè)量效率和重復(fù)測(cè)量精度，為該類彈性元件的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞 彈簧管；剛度；精密測(cè)量；誤差補(bǔ)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(cè)技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀- 3 -</p><p>　　1.3 彈簧管剛度測(cè)量中相關(guān)理論綜述- 4 -</p><p>　　1.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容- 4 -</p><p>　　第2章 彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)的研制- 6 -</p>

20、;<p>　　2.1 彈簧管的技術(shù)指標(biāo)- 6 -</p><p>　　2.2 彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)總體方案的確定- 6 -</p><p>　　2.3 測(cè)量臺(tái)架及測(cè)量夾具和調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 7 -</p><p>　　2.4 數(shù)據(jù)測(cè)量元件的選擇- 11 -</p><p>　　2.5 剛度測(cè)量的主要步驟- 12 -&

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

22、測(cè)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(cè)量精度的方法研究- 19 -</p><p>　　4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化法提高測(cè)量精度的研究- 19 -</p><p>　　4.2 誤差補(bǔ)償法提高測(cè)量精度的研究- 19 -</p><p>　　4.3 粗糙表面的數(shù)值模擬- 19 -</p>

23、;<p>　　4.4 表面形貌數(shù)值模擬方法的選擇- 20 -</p><p><b>　　結(jié)論- 21 -</b></p><p><b>　　致謝- 22 -</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)- 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(jié)構(gòu)</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(yīng)快速等一系列</p&g

25、t;<p>　　優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在航天、航空、航海、飛航導(dǎo)彈和運(yùn)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(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成幾十馬力以至更大的液壓功率輸出，驅(qū)動(dòng)各種各樣的負(fù)載，進(jìn)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(jí)組成，即輸入級(jí)、</p><p>　　中間級(jí)和輸出級(jí)。輸入級(jí)的作用是完成電信號(hào)到機(jī)械位移量的轉(zhuǎn)換，也稱電</p><p>　　—機(jī)轉(zhuǎn)換器。它由電氣——力或力矩轉(zhuǎn)換（一般是力馬達(dá)或力矩馬達(dá)）和力</p><p>　　或力矩——位移轉(zhuǎn)換器（通常為彈簧或扭簧、彈簧管等）共同組成。中間級(jí)</p><p>　　又稱前置級(jí)，為小功率液壓放大器

27、。輸出級(jí)也叫功率級(jí)，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(dá)。</p><p>　　電液伺服閥的典型結(jié)構(gòu)下半部裝有四通滑閥，中間裝噴嘴擋板，這三者通過(guò)反饋桿建立協(xié)調(diào)關(guān)系。力矩馬達(dá)主要由控制線圈、永久磁鐵、導(dǎo)磁體和銜鐵組件組成，其作用是將電控信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。其中，銜鐵組件是力矩馬達(dá)中的關(guān)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(gè)薄壁彈性零件，具有特定彈力，其下端有個(gè)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(dǎo)磁體形成四個(gè)工作氣隙。當(dāng)磁通通過(guò)氣隙時(shí)，在氣隙處產(chǎn)生電磁吸力，磁通大，電磁吸力也大。 </p><p>　　力矩馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上是左右對(duì)稱的，所以當(dāng)有控制電流通過(guò)線圈時(shí)，即</p><p>　　12I

29、 ≠ I時(shí)，銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，擋板向某一方向偏擺，導(dǎo)致通過(guò)某一噴嘴的液流阻力加大，另一個(gè)減小，使兩噴嘴前腔形成壓力差，從而推動(dòng)了閥芯移動(dòng)。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(dòng)使之變形。當(dāng)反饋桿變形產(chǎn)生的力矩加上彈簧管變形產(chǎn)生的力矩與力矩馬達(dá)在電流作用下產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡并且反饋桿球頭對(duì)閥芯的反作用力及閥芯開口后的液動(dòng)力平衡閥芯兩端的壓力差時(shí)，閥芯停止運(yùn)動(dòng)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(nèi)徑和頭部外徑分別與擋板大端外徑和銜鐵中孔成過(guò)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(yán)，內(nèi)、外圓的圓度和圓柱度要求均在 0.001mm 之內(nèi)。彈簧管薄壁處的厚度約為 0.06mm，要求薄壁管厚度均勻，內(nèi)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(guān)鍵部位。</p><p>　　1.1.2 彈簧管的制造工藝與剛度測(cè)量的重要性</p><p>　　在彈簧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)性能要求確定該型號(hào)閥中彈簧管的剛度值 K，根據(jù) K 值的大小通過(guò)計(jì)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其材料的不一致性和不均勻性的等原因，使設(shè)計(jì)要求中提出的壁厚值僅能作為參考。因此在加工過(guò)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(shè)計(jì)規(guī)定的剛度值為準(zhǔn)。一般工藝上采用少量磨去薄壁外徑從高往低逐步調(diào)整逼近的辦法得到設(shè)計(jì)要求的剛度值。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)所有伺服閥生產(chǎn)廠家的彈簧管的加工工藝過(guò)程如下：首先對(duì)加工彈簧管的用料進(jìn)行熱處理并進(jìn)行晶粒度和金相組織檢查；然后進(jìn)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(jìn)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(zhì)合金絞刀分粗、

33、精兩次絞削內(nèi)孔并留出研磨余量，精車彈簧管頭部外圓達(dá)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(jìn)行精加工，首先采用珩磨或研磨的方法對(duì)中孔進(jìn)行光整加工，之后先粗后精磨削薄壁處的外圓，經(jīng)過(guò)精磨之后的薄壁外徑還需要留有一定的余量，這時(shí)需要測(cè)量彈簧管的剛度是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的彈簧管的剛度，如果不滿足（大于設(shè)計(jì)規(guī)定值）就需要對(duì)此外徑進(jìn)行少量磨削后再進(jìn)行剛度測(cè)量，重復(fù)以上步驟直至測(cè)量的剛度值滿足設(shè)計(jì)為止。從彈簧管的加工工藝過(guò)程可以看出

34、，對(duì)彈簧管的剛度進(jìn)行測(cè)量屬于整個(gè)彈簧管精加工工藝的一部分，測(cè)量的目的是指導(dǎo)對(duì)彈簧管的薄壁進(jìn)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(cè)量就在彈簧管的加工工藝上起了重要的作用，測(cè)量的效率和測(cè)量精度成為影響彈簧管加工效率和加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。</p><p>　　在彈簧管的測(cè)量中，彈簧管的真值是無(wú)法獲得的。為了保證測(cè)量對(duì)加工的正確指導(dǎo)，我們對(duì)剛度值的重復(fù)測(cè)量精度提出了一定的要求。以某型號(hào)彈簧管為例，若其

35、剛度值為 K，則該彈簧管剛度值在設(shè)計(jì)上中最大偏差一般不超過(guò)±3%K（即剛度測(cè)量值在 K±3%K 范圍內(nèi)的彈簧管為合格品），在剛度測(cè)量中的不重復(fù)測(cè)量誤差應(yīng)該低于這個(gè)數(shù)量級(jí)，通常取該值的 1/3～1/10，此處我們?nèi)y(cè)量的不重復(fù)誤差要小于±1%。彈簧管剛度的真實(shí)值和測(cè)量值之間的差值屬于系統(tǒng)誤差，通過(guò)對(duì)伺服閥進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)可以確定滿足伺服閥性能參數(shù)的彈簧管剛度值的測(cè)量范圍并用于指導(dǎo)加工。</p>&l

36、t;p>　　1.2 彈簧管剛度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 彈簧管剛度測(cè)量技術(shù)的歷史沿革</p><p>　　從上述分析中知道，對(duì)彈簧管的剛度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行深入的研究具有深遠(yuǎn)的意義。由于該類試件應(yīng)用的特殊性，在國(guó)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行研究的主要是與航天關(guān)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(cè)量中相關(guān)理論綜述</p><p>　　1.3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)粗大誤差判別方法</p><p>　　粗大誤差，又稱為“過(guò)失誤差”是指由于測(cè)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(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)。為了通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)獲得被測(cè)量真值的正確估計(jì)，在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，必須剔除其中含有粗大誤差的數(shù)據(jù)。</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(jì)精度上都是相當(dāng)好的，但要求給定邊界信息。</p><p>　　雖然沒(méi)有哪種方法能夠保證在數(shù)據(jù)處理中找出所有的粗大誤差，但是，順序元素檢驗(yàn)法要求的測(cè)量數(shù)據(jù)非常少，而且隨即研究不依賴任何模型結(jié)果的信息在實(shí)際測(cè)量中，尤其是在一些破壞性的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)條件的限制使得可獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)較少，導(dǎo)致其概率分布密度也是未知的，此時(shí)是用現(xiàn)有的基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的粗大誤差的評(píng)價(jià)

39、方法來(lái)解決問(wèn)題是很困難的。</p><p>　　1.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　彈簧管及其它精密彈性元件廣泛的應(yīng)用在航空、航天及國(guó)防工業(yè)的各類控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)中作為導(dǎo)航元件或是反饋元件。這些精密彈性元件的剛度特性對(duì)控制器件性能影響很大，直接關(guān)系到控制精度和靈敏度等性能指標(biāo)。所以，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上對(duì)其剛度值要求極其嚴(yán)格。</p><p>　　在實(shí)際加工

40、中保證能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的剛度值是通過(guò)加工→測(cè)量→再加工→再測(cè)量的反復(fù)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此剛度測(cè)量技術(shù)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(guó)自行研制該類精密彈性元件的剛度測(cè)量裝置并不多，更是缺乏相關(guān)技術(shù)的理論研究，很多的生產(chǎn)單位甚至還在沿用傳統(tǒng)的手工測(cè)量方法。上述的這些關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于提高精密彈性元件的加工效率和加工水平進(jìn)而提高我國(guó)在航天、航海及航空中的整體實(shí)力是必須加以解

41、決的。本文將對(duì)精密彈性元件中的典型件——彈簧管的剛度精密測(cè)量技術(shù)進(jìn)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(cè)元件的結(jié)構(gòu)和剛度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，研制彈簧管剛度自</p><p><b>　　動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。</b></p><p>　　2.研究測(cè)量系統(tǒng)中的粗大誤差及其

42、在剛度測(cè)量中的表現(xiàn)。</p><p>　　3.從彈簧管剛度的測(cè)量原理入手，分析測(cè)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(cè)量中重復(fù)測(cè)量精度差的問(wèn)題。</p><p>　　5.探索新的剛度測(cè)量方法。</p><p>　　6.對(duì)彈簧管剛度測(cè)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證課題中所建</p><p

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

44、p>　　此外，傳感器與被測(cè)件位置的精調(diào)與粗調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)測(cè)量精度也有著一定的影響。因此在研制彈簧管的剛度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，在實(shí)際加工中保證能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的剛度值是通過(guò)加工→測(cè)量→再加工→再測(cè)量的反復(fù)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的我們應(yīng)該根據(jù)被測(cè)量對(duì)象的尺寸、形狀、工作狀態(tài)以及剛度指標(biāo)來(lái)確定</p><p>　　目前，我國(guó)自行研制該類精密彈性元件的剛度測(cè)量裝置并不多，更是缺乏相關(guān)技術(shù)的理論研究，很多的生產(chǎn)單位甚至還在沿用傳統(tǒng)的手工測(cè)量方

45、法。</p><p><b>　　彈簧管的技術(shù)指標(biāo)</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(cè)量時(shí)位移量不能超過(guò)120微米</p><p>　　2.2 彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)總體

46、方案的確定</p><p>　　2.21 彈簧管剛度多點(diǎn)法測(cè)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?jǐn)Q施力螺母，使其下方的軸旋轉(zhuǎn)，利用杠桿原理帶動(dòng)靜態(tài)扭矩傳感器下方的軸，軸旁固定一個(gè)光柵讀數(shù)頭，測(cè)量軸偏轉(zhuǎn)的位移，利用公式K=N/s</p><p>　　彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：</p><p&g

47、t;　　1.力測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量加載過(guò)程中每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的力，該系統(tǒng)主要包括力傳感器。</p><p>　　2.微位移測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量加載過(guò)程中每個(gè)測(cè)量點(diǎn)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(cè)量臺(tái)架。作為測(cè)量系統(tǒng)的基體除了實(shí)現(xiàn)彈簧管的安裝之外還是以上幾個(gè)系統(tǒng)的機(jī)

48、械結(jié)構(gòu)的載體。</p><p><b>　　圖2-2裝備總圖</b></p><p>　　2.3 測(cè)量臺(tái)架及測(cè)量夾具和調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.3.1 測(cè)量臺(tái)架總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　測(cè)量臺(tái)架的總體結(jié)構(gòu)如圖所示</p><p>　　圖2-3 測(cè)量臺(tái)架的總體結(jié)構(gòu)</p&

49、gt;<p>　　將彈簧管固定，通過(guò)橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)和縱向調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整測(cè)桿頭部的剛球與鐵芯銜持板處于準(zhǔn)接觸狀態(tài)（因此鐵芯銜持板又可稱作施力頭）。自動(dòng)加載機(jī)構(gòu)在加載的過(guò)程中推動(dòng)叉形施力頭產(chǎn)生微小變形，與叉形施力頭相連的施力轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)固定在滑塊上的光柵讀數(shù)頭檢測(cè)到軸旋轉(zhuǎn)的位移量，在彈簧管上的測(cè)桿施加載荷，加載過(guò)程中，力傳感器和位移傳感器檢測(cè)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)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(cè)量元件可以減少力測(cè)量系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，提高測(cè)量精度。</p><p>　　2.3.2 測(cè)量夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　從測(cè)量臺(tái)架的總體結(jié)構(gòu)圖中可以看出，彈簧管測(cè)量夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)該包含兩部分，一是夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另一個(gè)是測(cè)桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中夾具的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)閺椈晒艿姆ㄌm盤的尺寸相對(duì)較大，采用壓板原理結(jié)合凸輪機(jī)構(gòu)就可以保證裝夾方便可靠。</p><p>

51、;　　可靠夾緊的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)主要是體現(xiàn)在與彈簧管頭部配合的測(cè)桿上的孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和夾緊方法設(shè)計(jì)。</p><p>　　另一方面在測(cè)桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中還要考慮力臂長(zhǎng)度的選擇。對(duì)于測(cè)桿空的結(jié)構(gòu)考慮彈簧管的實(shí)際結(jié)構(gòu)采取圓弧夾緊方式。</p><p>　　圖2-4 叉形施力頭</p><p>　　測(cè)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(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)頂桿的尾部，頂桿頭部推動(dòng)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(huì)使每次測(cè)量的夾緊力大小保持一致，從而提高了重復(fù)裝夾時(shí)測(cè)量的重復(fù)性精度</p><p>　　測(cè)桿力臂長(zhǎng)度的確定中要要保證對(duì)于不同型號(hào)的彈簧管因力傳感器和位移傳感器的示值跳動(dòng)引起的相對(duì)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(cè)量中兩個(gè)傳感器的示值變動(dòng)范圍均為 2 個(gè)字（力傳感器：不大于 2mN，位移傳感器：不大于 0.2µm。）因此根據(jù)彈簧管剛度表達(dá)式可以得到剛度值 K 與力臂長(zhǎng)度 L（單位 cm）之間的關(guān)系式為：</p><p>　　2.3.3 施力螺母的設(shè)計(jì)</p><p>　　螺旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)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(zhuǎn)下方的施力螺桿的上下移動(dòng)，帶動(dòng)連接著的杠桿，利用杠桿原理使其施力轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連接的靜態(tài)扭矩傳感器檢測(cè)到力的大小。</p><p>　　2.4 數(shù)據(jù)測(cè)量元件的選擇</p><p>　　2.4.1 力傳感器的選擇</p><p>　　不同型號(hào)彈簧管的外形尺寸不

55、同，需要對(duì)夾具位置進(jìn)行調(diào)整來(lái)保證測(cè)桿與力傳感器上的施力頭在位移傳感器的零點(diǎn)附近接觸。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)夾具重新調(diào)整后測(cè)頭與施力頭的接觸點(diǎn)的位置可能已經(jīng)發(fā)生改變。另外同一個(gè)試件再重復(fù)裝夾中也會(huì)出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)位置發(fā)生改變的情況，為了保證在這種情況下準(zhǔn)確的測(cè)量到的每一點(diǎn)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(gè)靜態(tài)是指?jìng)鞲衅鞯臏y(cè)量彈性體不參與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從受力理解，這類測(cè)試是測(cè)試彈性體相對(duì)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(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)夾具重新調(diào)整后測(cè)頭與施力頭的接觸點(diǎn)的位置可能已經(jīng)發(fā)生改變。另外同一個(gè)試件再重復(fù)裝夾中也會(huì)出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)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(cè)量，但其測(cè)量精度不高，無(wú)法滿足測(cè)量要求；電容式位移傳感器的測(cè)量靈敏度高、分辨力強(qiáng)（達(dá)0.01µm），但是它輸出的線性段較短，測(cè)量的量程?。?#177;200µm），同時(shí)，后續(xù)電路復(fù)雜，容易受到電磁干擾而限制了應(yīng)用范圍。本文選用的是光柵傳感器。具有測(cè)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　原理：指示光柵與標(biāo)尺光柵疊放在一起，中間

58、留有適當(dāng)?shù)奈⑿￠g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(dāng)在諸多相交刻線的垂直方向有光源照射時(shí)，光線就從兩塊光柵刻線重和處的縫隙通過(guò)，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(diào)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(cè)量精度 2.莫爾條紋有位移放大作用 3.莫爾條紋對(duì)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(shù)頭</p><p>　　2.5 剛度測(cè)量的主要步驟</p><p>　　使用剛度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量彈簧管的剛度主要包括以下步驟：</p><p>　　1.準(zhǔn)備工作。將被測(cè)的彈簧管裝入對(duì)應(yīng)該型號(hào)彈簧管的專用測(cè)桿和夾具中夾好，然后通過(guò)橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)和縱向調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整彈簧管的位置使測(cè)頭與測(cè)頭處于準(zhǔn)接觸狀態(tài)時(shí)力傳感器和位移傳感器的示數(shù)分別處于其

60、各自的零點(diǎn)附近。</p><p>　　2.測(cè)量信息輸入。點(diǎn)擊測(cè)量控制區(qū)內(nèi)的“信息輸入”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇被測(cè)試件的類型（轉(zhuǎn)換夾具，本系統(tǒng)還可以測(cè)量反饋桿和銜鐵組件的剛度），點(diǎn)擊信息輸入按鈕輸入被測(cè)試件的型號(hào)、件號(hào)和測(cè)量要求等信息。在檢測(cè)同批次的下一個(gè)零件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保留所輸入的信息，不需再次填寫，直接點(diǎn)擊測(cè)量即可。</p><p>　　3.測(cè)量。點(diǎn)擊點(diǎn)擊測(cè)量控制區(qū)內(nèi)的“測(cè)量”按鈕

61、，根據(jù)測(cè)量信息中設(shè)置的測(cè)量點(diǎn)數(shù)和每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置控制自動(dòng)加載系統(tǒng)進(jìn)行加載。</p><p>　　到第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)后停止加載，待傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄并在繪圖區(qū)繪制該點(diǎn)，然后控制自動(dòng)加載系統(tǒng)繼續(xù)加載到第二個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量，依此類推直至測(cè)量完所有的測(cè)量點(diǎn)。</p><p>　　測(cè)量結(jié)束后，測(cè)量數(shù)據(jù)區(qū)顯示出測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)（包括每個(gè)測(cè)點(diǎn)的力和位移值、測(cè)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(cè)量結(jié)束后可以保存和打印輸出測(cè)量結(jié)果，最后復(fù)位。換夾試件重復(fù)上述步驟進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　2.6 測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用概況</p><p>　　圖是研制成功的彈簧管剛度測(cè)量臺(tái)實(shí)物照片。所研制的剛度測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)收在航天某研究所使用，該測(cè)量系統(tǒng)在剛度值小于55Nm/rad 的彈簧管的剛度測(cè)量中，其不重復(fù)測(cè)量誤差不大于±0.8%。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)

63、題，當(dāng)夾具重新調(diào)整后測(cè)頭與施力頭的接觸點(diǎn)的位置可能已經(jīng)發(fā)生改變。另外同一個(gè)試件再重復(fù)裝夾中也會(huì)出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)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(cè)量，但其測(cè)量精度不高，無(wú)法滿足測(cè)量要求；電容式位移傳感器的測(cè)量靈敏度高、分辨力強(qiáng)（達(dá)0.01µm），但是它輸出的線性段較短，測(cè)量的量程?。?#177;200µm），同時(shí)，后續(xù)電路復(fù)雜，容易受到電磁干擾而限制

64、了應(yīng)用范圍。本文選用的是光柵傳感器。具有測(cè)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　驗(yàn)收時(shí)以型號(hào)為 XXX-2 型彈簧管為試件進(jìn)行重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，即進(jìn)行重復(fù)裝夾，并記錄每次裝夾得到的測(cè)量值，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 2-3 所示。</p><p>　　對(duì)于所研制的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)配備不同的夾具還可以用于測(cè)量反饋桿和銜鐵組件的剛度。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期考察，該測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成為某些型號(hào)伺服閥的按期交付的設(shè)備保障，成為設(shè)計(jì)、

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

66、t;　　對(duì)式兩邊取全微分并寫成相對(duì)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(cè)量結(jié)果的因素主要有三項(xiàng)：</p><p>　　測(cè)量得到的力與變形 ( F ,S)，以及力臂長(zhǎng)度 L。隨著選取測(cè)量點(diǎn)數(shù)的不同，對(duì)于 F和 S ，每一測(cè)量點(diǎn)的F S都會(huì)影響到測(cè)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(jù)不同誤差源所產(chǎn)生誤差的性質(zhì)，采取不同的方法進(jìn)行處理來(lái)提高測(cè)量精度。</p><p>　　誤差來(lái)源是多方面的，在彈簧管剛度測(cè)量過(guò)程中，影響測(cè)量精度的具體因素有很多，按誤差源特點(diǎn)可概括為：</p><p>　　1 測(cè)量方法誤差（即測(cè)量理論誤差）；</p><p>　　2 組成測(cè)量臺(tái)架的各環(huán)節(jié)的制造和裝配誤差；</p&

68、gt;<p>　　3 由測(cè)量力引起的測(cè)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(shù)據(jù)采集誤差以及因?yàn)闇y(cè)量環(huán)境的干擾（如溫度、濕度及振動(dòng)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(cè)量方法誤差、機(jī)械零件的制造和裝配誤差以及測(cè)量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)

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

70、差源主要是測(cè)桿的加工制造誤差，用萬(wàn)能工具顯微鏡（分辨率 1µm）實(shí)測(cè)力臂長(zhǎng)度，并用實(shí)測(cè)值計(jì)算彈簧管的剛度值，這樣就能夠大大減小這部分誤差對(duì)測(cè)量的影響。</p><p>　　彈簧管角變形的獲得比較復(fù)雜，是位移傳感器是通過(guò)若干環(huán)節(jié)后測(cè)量得到的，因此引起每點(diǎn)變形量的誤差的因素較多，除了位移傳感器測(cè)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(cè)量原理誤差<

71、;/p><p>　　測(cè)量原理性誤差又稱測(cè)量方法誤差，主要指因使用的測(cè)量方法不完善或是采用的近似的計(jì)算公式等原因引起的誤差。在彈簧管的剛度測(cè)量中產(chǎn)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(jiǎn)化引起來(lái)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(jì)算中使用弦長(zhǎng)代替弧角而引起的誤差。這兩部分原理誤差分別影響到測(cè)量點(diǎn)的位移量和力臂長(zhǎng)度而使得測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)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(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，對(duì)比純彎矩相當(dāng)于對(duì)彈簧管施加了一個(gè)軸向力。在使彈簧管薄壁產(chǎn)生拉長(zhǎng)變形?l，由材料力學(xué)的知識(shí)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(zhǎng)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(gè)測(cè)量點(diǎn)處所測(cè)得的變形中包含了?l 使得測(cè)量結(jié)果存在原理性誤差。假設(shè)測(cè)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(zhǎng)變形為?l，而位移傳感器測(cè)量得到的變形為?S彈簧管的測(cè)量值為 K.</p><p>　　對(duì)式兩邊同時(shí)取倒數(shù)并整理得</p><p>　　其中 ε——因 ?l 引起的

74、測(cè)量相對(duì)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(cè)量相對(duì)誤差與彈簧管的拉伸剛度以及測(cè)桿力臂 L 的平方成反比，增長(zhǎng)力臂長(zhǎng)度會(huì)有效減小測(cè)量相對(duì)誤差。經(jīng)計(jì)算對(duì)剛度值為 K=9.687Nm/rad 的小剛度彈簧管（L=4.5cm）其相對(duì)誤差為 0.06%。對(duì)剛度值為 K=80.125Nm/rad 的大剛度彈簧管

75、（L=8cm）其相對(duì)誤差為 0.01%。綜上，對(duì)所有彈簧管，因 ?l 引起的相對(duì)誤差不會(huì)大于 0.06%，是可以忽略的。</p><p>　　另一方面，在彈簧管剛度測(cè)量中，彈簧管的轉(zhuǎn)角 ?θ 是通過(guò)位移傳感器測(cè)得的 ?S 經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化計(jì)算得到的，該簡(jiǎn)化對(duì) ?θ 和力臂 L 都產(chǎn)生影響從而引起測(cè)量誤差。對(duì)于 L 的影響如圖 3-3 所示，實(shí)際有效力臂長(zhǎng)度小于剛度計(jì)算中使用的力臂長(zhǎng)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(duì)測(cè)量誤差ε 為 2 ?L /L，即 2 (1? cos?θ)，經(jīng)計(jì)算該簡(jiǎn)化誤差最大不會(huì)超過(guò) 0.006%，完全可以忽略。綜上，因?yàn)闇y(cè)量原理帶來(lái)的測(cè)量相對(duì)誤差不會(huì)大于 0.07%，所以單臂施</p><p>　　力法的測(cè)量原理比較科學(xué)。</p><p>　　3.3 彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)的變形誤差分析與建模</

77、p><p>　　在測(cè)量力的作用下導(dǎo)軌板、活動(dòng)板、彈簧管和測(cè)桿都會(huì)發(fā)生變形，它們</p><p>　　之間也會(huì)產(chǎn)生接觸變形，這些變形使得測(cè)量點(diǎn)的位置發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于各環(huán)節(jié)的位置是很重要的，因而需要定義坐標(biāo)系來(lái)明確表達(dá)它們之間的關(guān)系。</p><p>　　本文將采用齊次坐標(biāo)變換的方法建立測(cè)量中位移傳感器測(cè)量的變形與各個(gè)環(huán)節(jié)變形之間的關(guān)系，進(jìn)而建立彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)

78、的誤差補(bǔ)償模型</p><p>　　建立測(cè)量系統(tǒng)中變形誤差運(yùn)動(dòng)的綜合數(shù)學(xué)模型的主要步驟為：</p><p>　　1. 建立一系列坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換矩陣使用齊次坐標(biāo)變換的方法推導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)中的變形誤差的綜合數(shù)學(xué)模型時(shí)，首先要建立測(cè)量鏈中一系列環(huán)節(jié)的坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)描述各環(huán)節(jié)的關(guān)系及變形特性。</p><p>　　2. 建立測(cè)點(diǎn)、彈簧管及固定參考坐標(biāo)系的關(guān)系把彈簧管上的變形點(diǎn)

79、的坐標(biāo)表達(dá)在其所在的坐標(biāo)系中，然后根據(jù)齊次坐標(biāo)變換矩陣轉(zhuǎn)化到實(shí)際測(cè)量點(diǎn)所在的坐標(biāo)系中，也可以轉(zhuǎn)化到固定參考坐標(biāo)系中。采用后一種方法時(shí)，先將測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)表達(dá)在其坐標(biāo)系中，然后根據(jù)齊次坐標(biāo)變換原理轉(zhuǎn)化到固定參考坐標(biāo)系中。</p><p>　　3. 建立彈簧管變形和實(shí)際測(cè)量點(diǎn)處的位移之間的關(guān)系在這一步中主要是根據(jù)變形測(cè)量鏈?zhǔn)欠忾]矢量鏈的特點(diǎn)，建立二者之間的關(guān)系，進(jìn)一步求解得到測(cè)量系統(tǒng)變形的綜合數(shù)學(xué)模型。</p&g

80、t;<p>　　第4章 提高彈簧管剛度測(cè)量精度的方法研究</p><p>　　4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化法提高測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量封閉矢量鏈中各環(huán)節(jié)的彎曲變形以及各個(gè)環(huán)節(jié)之間的接觸變形（主要影響因素是彈簧管和測(cè)桿間的接觸變形）是影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素。對(duì)于上述中由于機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的變形引起的測(cè)量誤差，可以考慮

81、通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法減小。</p><p>　　在彈簧管剛度測(cè)量的封閉矢量鏈中發(fā)生彎曲變形的各環(huán)節(jié)包括臺(tái)板變形、活動(dòng)導(dǎo)軌板的變形、活動(dòng)板的變形、測(cè)桿變形以及彈簧管的變形。其中彈簧管的變形是需要測(cè)量的，而其它的變形越小越好。</p><p>　　4.2 誤差補(bǔ)償法提高測(cè)量精度的研究</p><p>　　從誤差補(bǔ)償?shù)慕嵌葋?lái)提高彈簧管剛度的測(cè)量精度。測(cè)量系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償技術(shù)已

82、成為現(xiàn)代高科技領(lǐng)域、高精度領(lǐng)域的一種常用技術(shù)，對(duì)已知誤差規(guī)律的測(cè)量系統(tǒng)尤其適用。根據(jù)第 3 章和第 4 章中的分析，測(cè)量中隨著測(cè)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(guò)誤差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　由彈簧管剛度測(cè)量原理可以知道彈簧管的剛度是通過(guò)對(duì)測(cè)量過(guò)程中采集到的所有測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量力和變形進(jìn)行回歸處理而得到的，隨著測(cè)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(duì)不同的測(cè)量點(diǎn)處得到的變形值有著不同的影響，因此可以通過(guò)軟件對(duì)測(cè)量中每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)處采集得到的變形進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償前需要計(jì)算出所有環(huán)節(jié)的彎曲剛度。</p><p>　　在對(duì)測(cè)量結(jié)果的誤差補(bǔ)償中，各環(huán)節(jié)的彎曲變形屬于線形行為，它們引起的測(cè)量誤差屬于系統(tǒng)誤差，只能影響到測(cè)量的準(zhǔn)確度，通過(guò)補(bǔ)償可以完成準(zhǔn)確度的還原。但是接觸變形卻因?yàn)榻佑|表面形貌的隨機(jī)性和受力作用后變形的復(fù)雜性屬于非線性行為，因此由接觸變形不僅影

84、響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度還影響到測(cè)量的精密度。</p><p>　　4.3 粗糙表面的數(shù)值模擬</p><p>　　發(fā)生協(xié)調(diào)接觸的兩固體的接觸表面形貌將會(huì)直接影響到接觸變形的大小和接觸應(yīng)力的分布。因此，針對(duì)實(shí)際接觸狀況和建立合適的數(shù)值化表面模型是研究和求解接觸問(wèn)題的基礎(chǔ)。</p><p>　　4.4 表面形貌數(shù)值模擬方法的選擇</p><p>　

85、　數(shù)值化表面形貌的獲得有兩種途徑，一是使用測(cè)量?jī)x器和相應(yīng)的數(shù)值量化軟件直接測(cè)得的表面形貌。</p><p>　　另一種是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的仿真表面形貌。相比之下，數(shù)值仿真的表面形貌以其過(guò)程簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)容易而在工程應(yīng)用和理論研究中被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　針對(duì)不同的研究目的和領(lǐng)域，各國(guó)專家學(xué)者提出了不同的表面形貌模</p><p>　　型，或是從統(tǒng)計(jì)角度出發(fā)，以不

86、同的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)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(lái)描述。</p><p>　　所提出來(lái)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(shù)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(shù)隨機(jī)表面所獲得的已知自相關(guān)函數(shù)，求解自相關(guān)函數(shù)矩陣，通過(guò)求解非線性方程組的方法，從而求得線性變換矩陣系數(shù)，再利用噪聲輸入來(lái)生成計(jì)算產(chǎn)生的隨機(jī)表面粗糙度數(shù)值模型。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是邏輯清晰，比較容易實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　在彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)的研制中，如何提高各型號(hào)剛度值大小不同的彈簧管的重復(fù)測(cè)量精度是最為關(guān)鍵

88、的問(wèn)題。</p><p>　　本文對(duì)彈簧管的剛度測(cè)量技術(shù)作了深入的研究，研制了一套彈簧管剛度的測(cè)量系統(tǒng)。</p><p>　　為了提高該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析，建立了誤差補(bǔ)償模型和接觸分析模型，并基于此提出了變形分離測(cè)量法用于較大剛度值彈簧管的剛度測(cè)量。</p><p>　　1. 研制了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加載、多點(diǎn)測(cè)量，并可自動(dòng)地輸出剛度曲線的

89、彈簧管剛度測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理與實(shí)際工況符合，解決了國(guó)內(nèi)彈簧管剛度測(cè)量的難題；提出了一種新的改進(jìn)了的基于灰色理論的粗大誤差判別方法，該方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)少或是難于尋求統(tǒng)計(jì)規(guī)律的測(cè)量過(guò)程尤為有效，將之用于剛度測(cè)量系統(tǒng)中能夠有效提高測(cè)量精度；</p><p>　　2. 研究了測(cè)量中變形對(duì)測(cè)量精度影響，根據(jù)測(cè)量鏈的封閉特性，應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換法，建立了彈簧管剛度測(cè)量中的變形誤差模型及補(bǔ)償模型，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正

90、確性；</p><p>　　3. 研究了測(cè)量中接觸力的分布及其接觸變形對(duì)測(cè)量精度的影響，建立了彈簧管頭部與測(cè)桿孔之間的接觸模型，并給出數(shù)值解法。數(shù)值模擬和彈簧管剛度測(cè)量實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了使用該模型求解通用協(xié)調(diào)接觸問(wèn)題更接近于實(shí)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(cè)量的變形分離測(cè)量法，并研制出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。</p><p>　　

91、實(shí)驗(yàn)證明該方法具有較高的重復(fù)測(cè)量精度，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析確定出適合不同型號(hào)彈簧管的最佳測(cè)量方案。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　值此畢業(yè)之際，我要向?qū)熒蹡|向老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。春華秋實(shí)，是導(dǎo)師的辛勤耕耘和諄諄教導(dǎo)培育了我，使我圓滿地完成了學(xué)業(yè)。在三年多的學(xué)習(xí)生活中，他們淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)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(xué)到了科學(xué)知識(shí)、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(dǎo)師的言傳身教將永遠(yuǎn)激勵(lì)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(guò)程中，我還得到了許多老師同學(xué)給予我的許多指導(dǎo)和幫助，以及一個(gè)團(tuán)隊(duì)的同學(xué)的大力合作，在此表示深深的謝意。是他們伴我度過(guò)了這段愉快而難忘的求學(xué)生活。感謝所有幫助過(guò)我的

93、人，感謝他們的關(guān)心和幫助。我會(huì)永遠(yuǎn)珍惜在彼此的學(xué)習(xí)與交流中所結(jié)下的真摯友情。</p><p>　　最后，向所有關(guān)心和支持過(guò)我的老師、同學(xué)、朋友和親人表示最衷心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 敖明武. 精密彈性元件新型剛度測(cè)量?jī)x的研究. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士</p><p>　

94、　論文. 2007, 1~4</p><p>　　2 周百令. 動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀設(shè)計(jì)與制造. 東南大學(xué)出版社. 2005:21~23</p><p>　　3 田曉麗,辛長(zhǎng)范. 扭轉(zhuǎn)彈簧角矩特征的自動(dòng)測(cè)量. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào). 2008,12: 464-466</p><p>　　4 趙輝，俞樸. 微小尺寸彈性零件剛度自動(dòng)檢測(cè)方法的研究. 儀器儀表</p>&

95、lt;p>　　學(xué)報(bào). 2007, 22: 49~50</p><p>　　5 郭志友. 智能剛度測(cè)量?jī)x, 中國(guó)儀器儀表, 2005, 1: 25~28</p><p>　　6 于振毅, 劉波, 白宇. 數(shù)字式彈性元件剛度測(cè)試儀. 2007, 12: 14~15</p><p>　　7 萬(wàn)德安等. 航天微型扭桿剛度自動(dòng)測(cè)量裝置的研制. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù).</p

96、><p>　　2008, 22: 26~29</p><p>　　8 黃淑娟, 萬(wàn)德安. 高精度純扭矩加載與測(cè)量裝置的研制. 傳感技術(shù)學(xué)</p><p>　　報(bào). 2005, 2: 195~199</p><p>　　9 黃淑娟, 萬(wàn)德安. 高精度微型扭桿剛度測(cè)量?jī)x的研制及性能驗(yàn)證. 機(jī)</p><p>　　械電子. 20

97、08, 6: 29~31</p><p>　　10 田曉麗, 辛長(zhǎng)范. 扭轉(zhuǎn)彈簧角矩特征的自動(dòng)測(cè)量. 測(cè)試技術(shù)學(xué)2008,</p><p>　　12: 464~466</p><p>　　11 龍佑喜, 徐榮葆, 柯宏發(fā). 撓性陀螺接頭角剛度測(cè)量. 航空精密制造</p><p>　　技術(shù). 2008, 34: 42~44</p>

98、<p>　　12 趙維謙, 譚久彬. 撓性零件剛度系數(shù)測(cè)量方法. 航天工藝. 2007, 1: 1~4</p><p>　　13 孫國(guó)光. 撓性接頭新型剛度測(cè)量?jī)x的研制. 碩士學(xué)位論文. 哈爾濱工</p><p>　　業(yè)大學(xué). 2007, 8~11</p><p>　　14 秦永元. 動(dòng)力調(diào)諧陀螺撓性接頭力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)試的頻域辨識(shí)法. 中</p&g

99、t;<p>　　國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào). 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