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《合肥工业大学》 2004年
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轮廓形状特征的建模与参数辨识及其应用

赵前程  
【摘要】:轮廓形状特征的测量是几何量计量学的重要课题之一。几何轮廓参数包括尺寸参数、位置参数、形状参数以及表征频域特征的谱参数等。轮廓参数是在加工过程中形成的,影响工件的使用性能,必须加以检测。由于轮廓表面是连续的,而测量过程只能得到轮廓上有限个采样点数据,由离散的采样数据计算的轮廓参数只是参数的一个估计。理论上讲,采样点数越多,估计越准确,但是采样点数的增多必然导致测量效率的降低和测量成本的提高,因此测量过程需要解决的一个重要问题就是如何优化采样策略,即如何合理分布采样点,如何确定采样点数,以及如何合理表征测量结果的不确定度的问题。目前由于采样策略的选择主要决定于操作者的个人经验,经常造成测量结果的差异性,所以依据轮廓的特征和仪器特性以及参数估计的不确定度要求,研究统一的采样策略优化方案,具有理论上和实际测量方面的重要意义。 本文的研究重点是采样策略的优化问题。在考察采样策略时,必须依据仪器的特性、测量的不确定度要求以及轮廓的形状特征。抛开轮廓的形状特征,泛泛讨论采样策略是没有意义的,因此对轮廓形状特征进行建模是必要的。当轮廓的形状特征模型建立以后,则采样策略的合理与否就与所建模型是否合理密切相关,而轮廓参数的估计归结于模型的参数辨识问题。 本文详细阐述了典型轮廓形状特征的数学模型,主要有:圆轮廓的傅里叶模型;圆柱(锥)轮廓的勒让德/傅里叶模型、切比雪夫/傅里叶模型;自由曲线曲面的插值样条模型、B样条模型和非均匀有理B样条模型以及球面轮廓的球谐模型等。 本文首次提出“非等点数采样的二次测量法”,详细介绍该测量方法及其应用于检验所建轮廓模型的合理性。进一步判别待测轮廓上采样点数的合理性,同时根据“二次测量法”信息,对测量序列中主要谐波成分和随机噪声的参数进行估计,并给出轮廓参数估计值的标准差。 基于上述基本理论,本文进一步研究了“二次测量法”在以下几种典型的轮廓形状特征建模与参数辨识中的应用。 (1)圆轮廓:针对最小二乘圆度等常用圆度估计值的标准差过大,以及当测量点数较少时,估计值存在负偏差的问题,本文根据“二次测量法”信息,首次提出将圆度分解为由主要谐波分量引起的圆度和随机噪声引起的圆度,分别估计并合成。仿真结果和实测结果都表明,采用本文的方法估计圆度基本上可以消除测量点数较少时圆度估计值的负偏差,同时圆度估计值的标准差也有所降低。本文还讨论了圆轮廓在大偏心测量状况下的非均匀采样效应,并详细 论述了减小这种效应的方法。 (2)非整圆轮廓:论文对非整圆轮廓的谐波估计问题进行了研究,首次提 出基于傅里叶变换的插值和迭代方法,获得了非整圆轮廓谐波的较高精度的估 计结果,从而为“二次测量法”在非整圆参数估计中的应用打下良好的基础。 (3)自由曲线曲面轮廓:详细讨论了“二次测量法”在自由曲线曲面测量 中的应用。以火车车轮轮毅踏面自由曲线为例进行仿真和实测实验,结果表明 了采用“二次测量法”同样可以对采样点数的合理性进行判别,同样可以估计 出测量序列中随机噪声的标准差。论文指出了累加弦长三次样条插值函数在重 构轮廓时的原理性误差,因而在轮廓曲率变化较大的地方应适度密集采样。 (4)圆柱轮廓:本文指出了“现有圆柱轮廓的勒让德/傅里叶模型本质上具 有非等间隔采样特性,并指出了相关文献中给出的模型参数计算公式只是一种 近似的计算方法。本文利用高斯数值积分和傅里叶变换得到了勒让德模型参数 的准确估计结果。论文首次指出了圆柱轮廓勒让德/傅里叶模型各参数估计的不 等精度特性,并给出了各参数估计值的标准差理论计算公式和仿真结果,同时 采用“二次测量法”对测量序列中随机噪声的标准差进行了仿真和实测计算, 结果表明“二次测量法”同样适用于圆柱轮廓的测量数据处理。 (5)球面轮廓:论文详细介绍了球面轮廓的球谐模型及其模型参数的离散 估计方法,指出了球谐模型参数估计值的非等精度特性,编写了模型参数估计 的数据处理程序,仿真结果表明该程序是稳定、可靠的。针对高精度小球面的 球径在线测量问题,论文详细论述了气动球径测量的基本原理,球面最小二乘 拟合方法以及测量系统的整体设计。重点研究了气动球径量规的标定问题,提 出了一种基于双标准球的简单、易行、可靠的在线标定方法。 本文对于上述各种理论分析进行了大量的仿真实验和实物测量实验,证实 了本文提出的理论的可行性和实用性。 总而言之,本文所做的研究工作,首次将轮廓的形状特征、测量仪器的特 J胜以及参数估计的不确定度要求等综合起来优化采样策略,避免了测量时采样 策略选择的盲目性,开创了采样策略研究的新方法、新途径,对现代制造业中 计量学的发展具有重要的科学意义和实用价值。 关键词:计量形状特征建模参数估计采样策略
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TB92

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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3 鲁照权;俞宗嘉;胡金东;胡焱东;;广义最小二乘限定记忆参数辨识方法与仿真研究[J];安徽大学学报(自然科学版);2009年06期
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10 陶玉琴;陈素根;;基于曲率调节的二次T-B样条插值曲线[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2008年04期
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7 陈慧波;丁锋;;基于输出快采样数据的确定性系统最小二乘盲辨识方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
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9 吴彭江;孙明轩;;两种离散时变系统的迭代学习辨识算法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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4 韩丽丽;多率多输入系统的辨识[D];江南大学;2010年
5 高京广;非线性随机系统的稳定、镇定与优化[D];华南理工大学;2010年
6 刘恂;几类非线性发展方程的精确行波解的研究[D];江苏大学;2010年
7 吕小俊;双曲/抛物σ-发展型方程研究[D];浙江大学;2010年
8 蔡华辉;螺线和正交多项式在CAGD中的应用[D];浙江大学;2009年
9 冯其强;数字工业摄影测量技术研究与实践[D];解放军信息工程大学;2010年
10 吴星;卫星重力梯度数据处理理论与方法[D];解放军信息工程大学;2009年
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1 白廷义;基于激光扫描数据的隧道曲面重建技术研究[D];山东科技大学;2010年
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3 李平;基于逆向工程的液压元件设计、检测方法的应用研究[D];山东科技大学;2010年
4 木觉敏;压力舒适无缝内衣尺寸规格的研究[D];浙江理工大学;2010年
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6 王垚;液体离心机控制方案设计与实现[D];郑州大学;2010年
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10 陈军;测量不确定度在基础实验中的应用研究[D];山东农业大学;2010年
【同被引文献】
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1 谷春栋;圆度误差测量的数学模型[J];鞍山钢铁学院学报;2000年05期
2 史德卿;圆度仪数据采集处理系统[J];轴承;2003年06期
3 马润梅,李副来,高奋武;TAYLOR HOBSON73型圆度仪改造问题分析[J];轴承;2004年04期
4 艾竹君;刘巧云;王宏涛;周耀新;方巍;史亚彬;;便携式自调心小型圆度仪控制系统设计[J];低温与超导;2008年02期
5 徐磊;翟文涛;严利民;石明江;;基于LabVIEW的流量测试系统设计[J];仪器仪表用户;2010年05期
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7 李惠芬,蒋向前,李柱;三维表面功能评定技术发展综述[J];工具技术;2002年02期
8 杨继范;被测工件自动对中的计算机控制[J];鞍钢技术;1995年04期
9 李副来;李济顺;朱孔敏;;TL73型圆度仪的改造[J];轴承;2008年09期
10 徐萌良;;步进电机归零策略[J];电脑编程技巧与维护;2011年18期
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1 翟羽佳;传感器接口标准化的设计与实现[D];中国科学技术大学;2011年
2 骆建华;用虚拟仪器改造YD200A型圆度仪[D];天津大学;2004年
3 刘俊;基于USB接口的步进电机控制的研究与实现[D];华中科技大学;2006年
4 靳倩;基于声发射检测的滑动轴承状态监测与诊断系统研究[D];长沙理工大学;2008年
5 马莹;基于LabVIEW的机电设备虚拟检测方法研究[D];中南大学;2008年
6 张民;远程虚拟实验平台及LabVIEW实验研究[D];太原理工大学;2010年
【二级引证文献】
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1 赵前程;罗晓莉;邓善熙;;基于特征模型的形状误差估计新方法[J];仪器仪表学报;2007年09期
2 张瑞;卢好蕊;张林娜;郑鹏;;圆柱度仪单截面自动对中调节方法的研究[J];中国机械工程;2013年01期
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1 徐辉;基于GPS规范的轴承零件形状误差定义及评定[D];河南科技大学;2011年
2 于佃清;形状误差统计评定方法的理论与实验研究[D];东北大学;2008年
【二级参考文献】
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1 尹兆华;王健平;;不可压缩流的有限谱法计算[A];计算力学研究与进展——中国力学学会青年工作委员会第三届学术年会论文集[C];1999年
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1 彭艳;基于条元法的HC冷轧机板形预设定控制理论研究及工业应用[D];燕山大学;2000年
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1 贾沛璋;;关于卫星轨道参数的估计[A];1997年中国控制会议论文集[C];1997年
2 王根会;魏胜勇;;大跨度PC梁桥施工控制过程中的参数估计与修正[A];第十三届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)[C];2004年
3 刘继忠;周晓军;熊勇;;基于粒子群优化算法的超声信号参数估计[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(上)[C];2005年
4 宋志勇;喻晖;汪咬元;;一类随机线性系统的参数估计与状态滤波[A];1999中国控制与决策学术年会论文集[C];1999年
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6 张端金;;Box-Jenkins模型全结构辩识[A];1994年中国控制会议论文集[C];1994年
7 钱新恩;;钢条——PZT系统的建模研究[A];1996年中国控制会议论文集[C];1996年
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9 陈启卷;张宇;徐枋同;;自校正PID水轮机调节器[A];1994中国控制与决策学术年会论文集[C];1994年
10 张帆;何青;童调生;;基于外定界自适应约束的集员参数估计[A];2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集(上册)[C];2004年
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5 朝夕;专利维权何时能走上快车道?[N];国际商报;2007年
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7 袁靖;新方法·新材料·新学问[N];中国文物报;2010年
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1 赵前程;轮廓形状特征的建模与参数辨识及其应用[D];合肥工业大学;2004年
2 何映霞;机载SAR运动目标实时检测方案若干技术问题的研究[D];中国科学院电子学研究所;2000年
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9 刘达新;基于三维CAD的智能三坐标测量机检测规划系统的研究与开发[D];合肥工业大学;2009年
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1 孙学岩;基于内容的鱼病图像检索算法研究与实现[D];中国农业大学;2005年
2 聂加娜;融合颜色和形状特征的图像检索方法[D];曲阜师范大学;2010年
3 梁艳;基于图像处理的鉴定身份证真伪技术的研究与实现[D];广东工业大学;2005年
4 聂生显;基于形状特征的图像检索研究和应用[D];电子科技大学;2011年
5 金莲芳;基于MPEG-7形状特征的图像检索技术研究[D];广西大学;2005年
6 石薇;基于纹理和形状特征的鞋底花纹的识别与分类[D];大连海事大学;2005年
7 赵书莲;形状分类及其在图像检索系统中的应用研究[D];山东师范大学;2006年
8 饶海涛;基于形状谱和形状特征的平面四杆机构神经网络设计法[D];苏州大学;2005年
9 余源;鞋底花纹检索算法的研究与系统实现[D];大连海事大学;2009年
10 陈渝;基于图符形状搜索引擎的设计与实现[D];电子科技大学;2009年
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