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随着现代精密测量技术朝着精密化、集成化和智能化方向发展,精密量仪的研究越来越突显其重要性。作为精密量仪的关键部件--测头,其精度的高低很大程度决定了精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。目前,对表面轮廓、几何尺寸、各种模具及自由曲面的测量工作越来越多,精度要求也越来越高,而现有的测头,无论是接触式测头还是非接触式测头,都存在一些影响其自身精度的缺陷,所以急需要新的测量原理或者结构来突破这些缺陷的限制。
本文针对广泛使用的触发式测头测量方法及装置,详细地、系统地介绍和分析了目前各类测头在国内外研究的现状。纵观国内外研究情况,目前精密触发式测头总是存在原理或结构上的缺陷,诸如由于普遍的三叉式结构引起各向异性,从而导致预行程变化和重复性精度低;还有测杆结构会因触碰力而发生变形带来测量误差;测量灵敏度低或者测量力大;还有抗外界干扰能力差;应用上不具有普遍性等。因此避免或者减小误差项将成为触发式测头研究的重点和难点。
为了解决这个问题,本文在调研和分析的基础上,提出一种新型触发式光纤测头测量原理,该原理利用光纤光学和计算机视觉技术,充分结合了接触式测量的优点和非接触式测量的优点。该测头通过单根发射光纤将光导入带有超半球反射膜的球透镜,光束经反射后通过外围接收光纤束在图像探测器CCD上形成光斑图像,根据光斑图像数据的变化来判断前端触碰的情况。同时本文还研制出一套触发式光纤测头样机系统,通过实验验证了本文提出的新型测量原理,并对测头关键性能指标进行了测量。
通过实验验证,本文提出的新型触发式光纤测头测量原理完全可行,而且相对传统的触发式测头,本原理具有各向同性、无测杆变形影响、使用灵活和高灵敏性等优点。在测头性能的实验中,通过两种对比实验方案得出,采用视频图像截取的方法测量更精确,精度上测得该测头的微位移量阈值在X-Y平面内小于0.1μm,在X-Z平面内小于0.1μm。单向重复性精度可达0.0449μm。
本文最后在实验的基础上,对影响触发式光纤测头精度的因素进行了分析讨论。总结出本文所做的工作,并对后期的研究工作提出展望。