非正交系坐標(biāo)測量機理論及輪軌外形測量技術(shù)研究.pdf

1、坐標(biāo)測量機(CMM)是由機構(gòu)實現(xiàn)的柔性高精度測量設(shè)備。正交導(dǎo)軌機構(gòu)實現(xiàn)的正交坐標(biāo)系CMM，換算直觀、簡單；非正交導(dǎo)軌機構(gòu)構(gòu)成的非正交系CMM小巧便于攜帶，正在得到發(fā)展。隨著我國重載和高速鐵路的發(fā)展，輪軌關(guān)系研究、安全監(jiān)測對輪軌幾何測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)機構(gòu)CMM以及輪軌外形測量技術(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)測量法的數(shù)學(xué)原理與非正交系的實現(xiàn)；對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；通過對多關(guān)節(jié)串聯(lián)、并聯(lián)機構(gòu)非線性方程組的求解分析，研究了其可測性，同時討論了機構(gòu)的雅可比矩陣及其條件數(shù)的意義，為CMM的機構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 2.研究了非正交系CMM的測量準(zhǔn)確性。討論了機構(gòu)制造誤差的檢定與補償方法；對桿件

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

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

5、采集問題。討論了增量光柵信號的四細(xì)分、可逆計數(shù)的實現(xiàn)方法，正弦信號的精密細(xì)分技術(shù)，設(shè)計了基于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、角度零點確定、高速同步鎖存讀數(shù)、無線通訊的實現(xiàn)等問題。 6.提出了一種鐵質(zhì)工件斷面自由曲線的自動掃描測量系統(tǒng)。系統(tǒng)可控制并測量角度編碼器的平面位置，在編碼器轉(zhuǎn)軸上固定帶磁性測量輪的測量桿?？刂撇呗允牵豪脺y量桿的重力效應(yīng)與擺動角度自動搜尋測量對象，根據(jù)最新

6、測得的兩點坐標(biāo)，調(diào)整測桿方向并前進(jìn)一個步長。試驗表明：這種方案具有簡單、經(jīng)濟(jì)的特點，對工件位置與外形的變化具有自動適應(yīng)的功能。 7.論文完成的試驗包括：便攜式輪軌外形測量儀的研究試驗；車輪外形采用磁性滾輪進(jìn)行自動測量的試驗；鋼軌軌距、水平連續(xù)檢測推車試驗。試驗均達(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創(chuàng)新點在于：首次系統(tǒng)研究了非正交系坐標(biāo)測量機的原理、方法，可測性、準(zhǔn)確性理論。研究了

7、測量機構(gòu)的構(gòu)型方法，根據(jù)被測對象特點，提出了4種新型測量儀器或裝置方案： (1)基于桿長測量的CMM方案，可用簡單工藝獲得更高的測量準(zhǔn)確度，已獲得中國發(fā)明專利：ZL01128866.3。 (2)基于角度測量的六自由度測量機構(gòu)，特別適合快速檢測毛筆桿動態(tài)位姿參數(shù)，將古老的毛筆書法信息數(shù)字化。 (3)基于五連桿平面機構(gòu)的便攜式輪軌外形測量儀，可測量各種車輪和鋼軌的外形曲線，實現(xiàn)測量儀器的集成并提高測量準(zhǔn)確度。