精度设计拓展实验.doc

拓展实验
————基于GPS技术的机械零件计量认证过程中的自动对中
在几何零件的计量认证过程中，被测工件在测量仪器/系统中安装调整精度直接影响着测量结果的精确程度，尤其是在精密、超精密计量中，此影响不容忽视。
    比如：回转类零件形状误差的计量认证过程，其回转件在仪器工作台上的安放与调整不可避免地会出现“偏心”问题。传统的偏心调整过程，由于是面向手工操作环境，主要是靠操作者的经验确定调整量及方向。这种基于经验的偏心调整方法受人为因素影响而造成调整精度低、效率差，对于精密测量及其测量结果的精确性必然会产生较大的影响，尤其是在制造业信息化飞速发展的今天，解决工程计量中机械零件自动对中的数字化问题，实现“偏心”的数字化在线调整，已经成为高精度、高效率计量认证过程中一个亟待解决的问题。
一、实验目的
1.理解并掌握新一代GPS中操作、算子技术及其应用；
2.熟悉并掌握“偏心”调整中的伺服控制理论；
3.掌握机械零件“偏心”的在线调整方法。 
二、实验仪器及原理
仪器：圆柱度仪
原 理：
   面向实际的计量过程，由仪器测得被测圆柱形工件中部某横截面上N个离散的测量数据。基于N个离散的测量数据，通过数字化的方法进行分析、建模、编程、计算等，获得所需要的偏心调整数据。根据得到的偏心量，通过伺服电机的作用，调整零件在工作台上的位置。该实验要求偏心的数字化评定模型及算法应具有较高的实时性和精确性，即：“基于GPS技术的偏心调整数字化实现方法”。
原理示意图：

1、工作台零件初始位置    2、圆截面实际图形显示     3、拟合后得到偏心量

4、根据偏心量调整工件位置
三、实验步骤
1、将机械零件放在工作台的适当位置上，使零件尽量位于工作台的坐标中心位置。

2、对工件按圆周进行采点，得到1000个采样数据。对离散数据进行图形显示。
3、对得到的圆截面按照最小二乘法进行拟合，得到拟合圆的圆心（红色圆为拟合的圆）
4、得出拟合圆圆心与工作台系统坐标原点（0，0）的偏离量（ΔX，ΔY）。根据偏离量，通过伺服电机的控制，控制工件在x、y方向的进给量，从而达到调整的目的。
四、关键技术及数学模型
1、拟合技术及数学模型：
    新一代GPS体系中，为了清晰定义几何产品的规范和检验，提出了操作的概念。操作是新一代GPS中为获取基准、规范值（公差值）或特征值（实际偏差值）而对表面模型或实际工件表面所进行的特定的处理方法。操作共有七种：分离（partition）、提取（extraction）、滤波（filtration）、拟合（association）、集成（collection）、构建（construction）和估值（evaluation）。
    拟合是依据特定准则使理想要素逼近非理想要素的一种操作，其实质是一个目标约束优化的过程。任何一个非理想要素，都会有一个理想要素与之对应。
    对于回转类零件圆截面的拟合有下列方法：最小二乘法、最小区域法、最小外接法及最大内接法。最小二乘法，由于具有快速、准确的特点，因此，对于对中调整来讲，采用此方法即能满足要求。 
    最小二乘法拟合的数学模型为：
       式中：x、y为拟合圆的圆心，为拟合圆的半径，m为采样点数
    伺服控制理论（根据自动调整、使工作台实现对中）。
参考文献：
1、张琳娜，常永昌，赵凤霞等. 现代产品几何技术规范（GPS）中基于对偶性的操作技术及其应用.
机械强度，2005，27（5）
2、张琳娜，赵凤霞，李晓沛等. 现代产品几何技术规范（GPS）体系的理论基础及关键技术研究.
机械强度，2004，26（5）