精密测量课程设计说明书.docx
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1、精密测量课程设计说明书 课程设计说明书 二0一八年6月23日 目录 一、设计任务 (3) 二、原理阐述 (4) 三、技术与参数指标 (6) 四、标准量系统选择方案 (7) 五、瞄准系统选择方案 (7) 六、定位系统选择方案 (8) 七、结论 (11) 八、心得体会及致谢 (12) 参考文献 (13) 测量系统装部件配图及相关附件 (14) 一、设计任务 设计题目:精密定位板检测方案设计 1、课程设计内容 精密定位板上分布有各种不同尺寸的精密定位孔,如精密仪器中定位孔尺寸通常为 到(mm ),中心距根据零件的大小而变化。精密仪表行业中定位孔尺寸为0.0062+到0.0085+(mm ),根据不同
2、测量孔径的要求,设计一适当的精密测量方案,并分析测量精度。 课程设计的具体内容为: 1.1测量方案设计 针对零件的测量要求,确定 1)精密小孔的检测测量方法;比较分析万能工具显微镜,表面反射式测量仪激光衍射小孔测量,显微视觉小孔测量的原理及适用的测量范围,从对准精度,测量精度考虑选择合适的测量方案。 2)中心距的间接测量方法;在相同的测量精度前提下,比较直接测量,不同的间接测量方法,对中心距测量精度的影响。 3)自动计数方法:比较显微读数,光栅自动计数的原理,在测量分辨率,测量精度方面的异同。 1.2精密结构设计 将拟订的测量方案,组成精密测量系统。 精密结构设计包括: 1)导轨工作台设计;分
3、析比较各种导轨工作台(如气动导轨,机械导轨)的工作原理,从定位精度、导向精度,运动精度,运动的平稳性等方面考虑其适用范围,并分析各种机械导轨如平面-平面导轨,平面-V 型导轨,平面-燕尾型导轨的制造工艺,成本等,根据这些分析,选择合适的结构形式。 2)精密丝杆螺母传动机构设计;从分析常用的矩形螺纹丝杆,滚珠丝杆的适用范围,传递运动的精度,平稳性及制造工艺,成本等方面考虑,设计适当的密丝杆螺母传传动机构,并设计其消去运动间隙的结构。 3)光栅付的精密安装结构设计:分析光栅付设计参数与分辨率的关系,设计光栅付在运动过程中,保证主光栅与运动光栅间隙的结构。 1.3光学系统设计 显微视觉测量系统,激光
4、衍射测量系统设计及相关的软件处理算法。 2、课程设计要求 本课程设计综合运用精密测量技术、光电精密仪器设计、传感器原理、视觉检测,工程光学、机械制图、互换性与技术测量等课程的知识,要求独立完成,不得抄袭。提交如下资料。 1)课程设计原理说明一份; 2)测量系统总体装配图一份。 3)相关的测量系统及处理软件。 二、原理阐述 对于孔径的测量,一般可利用万能工具显微镜、表面反射式测量仪、激光衍射测量、显微视觉测量等方案来实现,现对其原理逐一分析,并选择合适的测量方案。 1、万能工具显微镜 万能工具显微镜安装光学灵敏杠杆测量孔径,由于其瞄准定位精度高,操作较为方便,是利用万能工具显微镜测量孔径的一种常
5、用方法。测量时将灵敏杠杆安装在主显微镜的物镜下并固紧,将定位板固定在工作台上,尽可能靠近纵向刻尺一边,使灵敏杠杆的测头与环规的一侧接触,通过寻找转折点,在主显微镜中套线瞄准并读取纵向第一次示值,调整测力转换环,改变测力方向,在小孔另一侧再次套线瞄准读取第二次示值,两次读数值之差与测头直径之和即为被测定位孔的内径。 图1 大型工具显微镜及光学灵敏杠杆原理图 1-目镜;2-米字线旋转手轮;3-角度读数目镜光源;4-显微镜筒;5-顶尖座;6-圆工作台;7-横向千分尺手轮;8-底座9-圆工作台手轮;10-顶尖;11-纵向千分尺手轮;12-立柱倾斜手轮;13-连接座;14-立柱;15-支臂;16-锁紧螺
6、钉;17-升降手轮;18-角度目镜 2、表面反射式测量仪 表面反射式测量仪是利用表面反射的原理来测量内外尺寸,当被测件左右两侧面进入左方瞄准显微镜目镜的视场中,并被用像点反射器瞄准好后,分别从读数显微镜的目镜内读得标准尺的两个读数,其差值即为被测工件的尺寸。 图2 表面反射式测量仪原理图 1-被测件;2-工作台;3-读数显微镜;4-标准尺 3、激光衍射测量 激光衍射测量微孔直径是利用远场夫琅禾费衍射的原理。当平面波照射到圆孔时,其远场夫琅禾费衍射是中心为圆形的亮斑、围绕着明暗相间的环形条纹。通过微孔衍射所得到的明暗条纹的总能量,可以认为不随孔的微小变化而变化,但是明暗条纹的强度分布是随孔径的变
7、化而急剧变化的。因而,在衍射图上任何给定半径内的光强分布,是随激光束通过孔的直径变化而显著变化的。当已知透镜的焦距和光波的波长,测定Airy斑的第一暗环直径,依据其关系式可精确测定微小内孔的尺寸。测量精度可达0.5m,量程一般为0.01mm0.5mm。 图3 圆孔的夫琅禾费衍射原理图 4、显微视觉测量 显微视觉测量是集视觉成像和计算机视觉技术为一体的可实现实时、可视化检测的测量平台。在一定的光照条件下,成像设备把被测对象三维场景的图像采集到计算机内部,形成灰度的二维阵列。然后通过图像降噪、相机标定、特征提取等步骤得出待测物的几何尺寸。 图4 显微视觉系统光路示意图(立体式) 通过上述几种测量方
8、案原理的比较,表面反射式测量仪具有测孔精度高,速度快等优点。主要用于测量直径0.1mm的精密小孔,刻度尺的刻线误差为0.2m,对工件的瞄准误差为0.1m。根据孔径的测量要求,可选用表面反射式测量仪测量。 三、技术与参数指标 基于反射式瞄准的精密孔径测量系统是利用表面反射的原理来测量内外尺寸,主要用于测量直径0.1mm的精密小孔。技术数据如下: 刻度值0.5,1m; 测量范围0200mm; 可测工件高度(不对中心)30mm; 可测工件最大高度(对中心)60mm; 可测最小孔径0.1mm; 可测最小孔径与深度之比0.1; 放大倍数 瞄准显微镜34倍; 读数显微镜50倍; 视场范围3mm; 刻度尺的
9、刻线误差0.2m; 对工件的瞄准误差0.1m; 测量的不确定度(0.5+L 300+H 100 )m。 式中L被测长度(mm); H被测尺寸距标准尺表面的高度(mm)。 四、标准量系统选择方案 线纹尺是用金属或玻璃制成的、表面上准确地刻有等间距平行线的长度测量和定位元件,也称刻线尺。线纹尺的线条间距一般为1 mm或0.1 mm。 光栅尺一般是根据莫尔条纹的形成原理进行工作。光栅位移传感器的工作原理,是由一对光栅副中的主光栅和副光栅进行相对位移时,在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间的莫尔条纹。经光电器件转换使黑白相同的条纹转换成正弦波变化的电信号,再经过放大器放大,整形电路整形后,得到两路相
10、差为90的正弦波或方波,送入光栅数显表计数显示。 图5 莫尔条纹 光栅尺的测量精度高,一般为0.1m10m,测量范围大,响应速度快,测量输出信号为数字脉冲使用较为方便。因此选择光栅尺作为标准量系统。 五、瞄准系统选择方案 1、显微瞄准 显微定位系统能对被测对象精确瞄准定位,其定位精度与仪器的总精度相匹配。按作用原理可分为光学定位法和光电定位法两类。光学式显微定位系统具有:1、显微镜的总放大率不高(10100);2、物镜放大率不高,但对放大率的准确性要求高;3、物镜的数值孔径(D/f)小;4、显微镜具有较长的工作距离和较大的视场;5、多采用物方远心光路。而光电对准相对于光学对准而言可提高瞄准精度
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