非正交系坐标测量机理论及轮轨外形测量技术研究

论文题目: 非正交系坐标测量机理论及轮轨外形测量技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 载运工具运用工程

作者: 周文祥

导师: 沈志云

关键词: 坐标测量机,非正交坐标系统,机构综合,铁路轮轨外形测量

文献来源: 西南交通大学

发表年度: 2005

论文摘要: 坐标测量机(CMM)是由机构实现的柔性高精度测量设备。正交导轨机构实现的正交坐标系CMM,换算直观、简单;非正交导轨机构构成的非正交系CMM小巧便于携带,正在得到发展。随着我国重载和高速铁路的发展,轮轨关系研究、安全监测对轮轨几何测量精度与效率的要求不断提高,因此,研究非正交系CMM理论及轮轨外形测量技术具有重要意义。 论文在回顾经典CMM及多关节串联非正交系CMM的发展历程,介绍并联机构CMM以及轮轨外形测量技术研究现状的基础上,全面阐述了在非正交系CMM理论及应用方面的研究工作,其内容、方法与成果摘要如下: 1.论述了坐标测量法的数学原理与非正交系的实现;对CMM系统进行了功能分解和优化重组,论证了非正交系CMM的可行性;通过对多关节串联、并联机构非线性方程组的求解分析,研究了其可测性,同时讨论了机构的雅可比矩阵及其条件数的意义,为CMM的机构设计奠定了基础。 2.研究了非正交系CMM的测量准确性。讨论了机构制造误差的检定与补偿方法;对杆件的简单热变形、力变形以及关节角测量误差进行了量化分析,对多关节串联机构的分析和试验表明:利用两种姿势测量同一外形曲线,使两条曲线重合,可标定一个角度零位误差,多个误差可依次标定;对激光与电涡流位移传感器测量车轮外形的测量误差也进行了试验研究。 3.研究了测量机构的结构综合问题。在分析构型要素、方法,研究二维测量机构的基础上,提出了:①基于杆长测量的CMM并联机构方案,建立了测量模型,给出了位置正解与逆解,进行了测量空间和误差分析;②基于角度的三、六自由度测量机构方案,该机构适合小范围高速测量。 4.研究了非正交系CMM原理在轮轨外形检测中的应用问题。提出了三种测量装置机构方案:①基于角度测量的五连杆轮轨外形测量仪,进行了结构设计和误差分析,还给出了基于三角形边长测量的机构方案;②基于杆长测控的轮对几何参数自动测量装置;③一种基于角度测量的钢轨轨距、水平检测推车,其倾角测量采用了涡流阻尼结构。同时给出了全部测量模型。 5.研究了坐标测量系统的数据采集问题。讨论了增量光栅信号的四细分、可逆计数的实现方法,正弦信号的精密细分技术,设计了基于F2407的便携式数据采集系统,研究了电源消耗、USB接口及其两侧的编程、硬件接线、

论文目录:

摘要

Abstraet

第1章 绪论

1.1 坐标测量机的由来与发展

1.2 关节式坐标测量机的发展

1.3 并联式坐标测量机的发展

1.3.1 并联机构的研究与应用概况

1.3.2 并联坐标测量机的研究现状

1.4 轮轨断面外形的测量问题

1.4.1 轮轨断面外形曲线测试的意义

1.4.2 轮轨外形测量的技术现状

1.5 论文的研究意义和主要内容

1.5.1 研究意义与研究目标

1.5.2 研究内容与研究方法

第2章 非正交系坐标测量机理论研究

2.1 非正交系坐标测量的几何原理

2.1.1 坐标测量的几何基础与原理

2.1.2 非正交系的几何原理与实现

2.2 基于机构的坐标测量系统研究

2.2.1 正交CMM系统的功能分解

2.2.2 非正交系CMM功能优化重组

2.3 非正交系CMM的可测性研究

2.3.1 非正交坐标测量机构的可测性

2.3.2 非正交机构雅可比矩阵条件数

2.4 非正交系CMM的准确性研究

2.4.1 测量机构制造误差的校准

2.4.2 几何尺寸的变形误差

2.4.3 传感与信号处理误差

2.5 本章小结

第3章 非正交坐标测量机构的设计研究

3.1 坐标测量机构的构型基础

3.1.1 测量机构的要素与构型方法

3.1.2 一维测量系统与标准器分析

3.2 二维坐标测量机构的研究

3.2.1 二维坐标测量机构的构型研究

3.2.2 二维坐标测量机构的位置分析

3.3 基于杆长测量的三维坐标测量机构

3.3.1 测量模型分析与算例

3.3.2 三坐标测量机构误差分析

3.3.3 测量机构的试验研究考虑

3.4 基于角度测量的坐标测量机构

3.4.1 三自由度方案与模型研究

3.4.2 机构的测量求解分析

3.4.3 机构的控制问题求解

3.4.4 六自由度测量机构方案

3.5 本章小结

第4章 轮轨断面外形测量技术的研究

4.1 轮轨外形特征与测量要求分析

4.1.1 轮对几何及其检测参数分析

4.1.2 钢轨几何及其检测参数分析

4.2 轮轨外形扫描测量探头的研究

4.2.1 轮轨外形接触式滚轮测量头

4.2.2 激光三角位移传感器应用分析

4.2.3 电涡流位移传感器的应用分析

4.3 便携式轮轨外形测量仪研究

4.3.1 关节串联式外形测量仪

4.3.2 并联式外形测量仪的概念设计

4.3.3 轮轨测量仪的其它方案

4.3.4 外形测量仪的误差分析

4.4 轮对参数自动测量装置的研究

4.4.1 自动检测装置的技术方案

4.4.2 自动测量装置的几何原理

4.4.3 自动测量的试验研究装置

4.5 铁路轨距与水平测量推车方案

4.5.1 推车测量工艺分析与方案构思

4.5.2 推车倾角动态测量技术研究

4.6 本章小结

第5章 数据采集与自动控制系统研究

5.1 坐标测量信号处理的关键技术

5.1.1 增量光栅正交方波信号处理

5.1.2 正弦信号DSP精密细分处理

5.2 坐标测量数据的自动化采集系统

5.2.1 基于DSP芯片的便携式数据采集

5.2.2 自动化测量的数据采集系统

5.3 坐标测量过程的全自动控制

5.3.1 测量头的运动控制硬件系统

5.3.2 自适应扫描测量的轨迹规划

5.4 本章小节

第6章 轮轨外形测量技术的试验研究

6.1 轮轨几何非接触测量头试验

6.1.1 传感器试验的装置与方法

6.1.2 激光三角位移传感器试验

6.1.3 电涡流位移传感器试验

6.1.4 小直径电涡流传感器试验

6.2 便携式轮轨外形测量仪器试验

6.2.1 角度零位误差标定试验

6.2.2 便携式数采系统初步试验

6.3 测量运动自适应控制试验

6.4 检测推车试验研究结果

6.4.1 摆式倾角仪的阻尼试验

6.4.2 轨距和水平检测推车试验

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

发布时间: 2006-03-06

参考文献

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