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精密回转型工件的偏心倾斜调整测控技术

田艳荣  
【摘要】:随着精密制造加工技术快速的发展趋势,对回转型工件表面形貌测量技术精度的要求越来越高,回转型工件表面形貌测量技术则成为了制约其发展的瓶颈,放置于回转工作台上的被测大口径光学回转型工件与测量仪器的回转轴线不可避免的存在安装偏心和倾斜等位姿误差,被测工件的位姿误差对表面形状的超精密测量影响极大。对回转型工件表面形貌测量精度的要求越高,实际上则是对回转工作台减小位姿误差的调倾调心操作的可靠性、快速性、精确性的要求越来越高。回转型工件偏心倾斜调整测控技术的研究将促进多门学科的进一步发展,正逐渐成为制造加工和精密工程领域的研究热点,具有重大的科学研究意义和广泛的实用价值。为实现光学超精密测量对回转型工件的表面形状测量过程中对工件的偏心和倾斜等位姿误差的高精度调整和测量,本文结合精密气浮回转轴、偏心和倾斜调整工作台、XYZ向压电陶瓷微位移驱动器等研制了一套精度高、调整速度快的偏心倾斜调整测控系统。该系统基于空气气体润滑支撑技术的大范围高精度偏心倾斜调整回转工作台,采用压电陶瓷微位移器实现纳米分辨力的精密驱动,完成了基于VC++平台的偏心倾斜调整控制软件,实现了大口径回转型工件表面形状测量系统的自动偏心倾斜调整。本文研究的主要内容包括:1.提出了偏心倾斜调整测控系统总体方案。从圆柱轮廓测量的测量原理出发,依据圆柱轮廓的测量模型,综合考虑系统硬件结构、运动控制部分驱动方法以及测量方法提出了测控系统总体方案。2.依据四自由度自动偏心倾斜调整工作台的硬件机械机构,研究分析了偏心调整和倾斜调整之间的耦合关系。依据偏心调整和倾斜调整数学模型,提出了自动偏心和倾斜调整方法,并构建了自动偏心倾斜调整的具体实现流程。3.在对测量模型进行理论分析和滤波方法仿真验证的基础上,针对课题组研制的精密气浮回转工作台,采用模块化设计编制了基于VC++6.0平台的偏心和倾斜自动调整测控软件,对测控软件中的各模块进行封装调用,实现了对圆柱回转型工件轮廓测量的偏心自动调整和偏心倾斜自动调整。4.对四自由度自动调整回转工作台的偏心倾斜调整性能进行了实验验证。首先,对微位移驱动机构的分辨力、稳定度等性能参数进行了测试。然后,利用陶瓷标准球标定了回转工作台调整坐标系和测量坐标系之间的夹角。最后,通过对圆柱回转型工件的偏心、倾斜调整实验验证了所研究的自动偏心和倾斜调整方法的有效性。实验表明:本文所研究的自动调整测控技术可使回转型工件的偏心量收敛至0.5μm,倾斜调整操作最终能使回转型工件的倾斜误差收敛至0.2″,自动调整时间为120 s。


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