基于激光位移传感器的非接触式在机测量系统研究

作     者：李书奇 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高晓兵

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：在机测量 非接触测量 激光测量 线激光 数控机床 

摘      要：在机测量技术在工业应用中已经较为成熟,其中,应用较为广泛的是接触式在机测量,由于测量时需要逐点触碰测量点,导致测量过程耗时较长、测量效率较低。本文为了解决上述问题,开展非接触式在机测量系统研究。 本文在分析非接触式传感器测量原理的基础上,根据数控加工过程的测量需求,设计了线激光传感器的数据采集方案和数据的传输流程,基于ARDUINO开发环境开发了数据传输模块。以SPI协议为通信基础,设计了通讯模块硬件方案,分析计算了电源模块参数,设计了在机床上装夹固定线激光传感器的工装,搭建了整体测量系统并完成集成调试。 本文分析了机床定位误差、传感器转动误差的基本机理,分别建立其数学模型,并使用激光干涉仪和MATLAB进行测量和仿真。根据误差推导公式以及空间坐标齐次变换原理,设计了标定标准件,设计了初始位姿调整、获取标定数据、处理标定数据、求解标定参数等四个标定流程,实验表明标定后相对于标定前精度可提升95%以上。设计了系统重复性、稳定性验证实验,结果分析表明系统的重复性、稳定性良好,测量精度满足加工要求。 本文面向直线、圆、平面等平面特征和曲面特征,分析了点云数据预处理常见算法,融合统计滤波法、直通滤波法、基于曲率精简法等完成点云数据降噪和精简处理,设计基于最小二乘法的直线和曲面测量方法,设计了基于RANSAC算法的圆和平面测量方法,基于MATLAB完成了测量算法仿真实验。 本文基于雷尼绍标准件、含曲面特征的工件,针对数控加工常见的直线、圆、平面、曲面等特征开展了测量实验验证,验证了测量算法的正确性。结果表明各加工特征的测量误差均不超过20μm,且测量效率相较于三坐标测量提升了50%以上,系统的测量精度能够满足加工要求。