形位误差综合测量实验设备的研制

分类号 学号 M200970548

学校代码 10487 密级

硕士学位论文

形位误差综合测量实验设备的研制

学位申请人 ：祝贺

学科专业 ：机械制造及其自动化

指导教师 ：汤漾平 教授

答辩日期 ：2012年1月9日

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Engineering

Research on comprehensive experimental teaching equipment of geometric error measurring

Candidate : ZhuHe

Major : Mechanical Manufacturing and Automation

Supervisor : Tang Yangping

Huazhong University of Science and Technology

Wuhan, Hubei 430074, P. R. China

January, 2012

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的

研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期： 年 月 日

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在 年解密后适用本授权书。

不保密□。 本论文属于

（请在以上方框内打“√”）

学位论文作者签名：

指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

摘要

形位误差测量教学实验是工科院校学生培养课程中重要的一个环节，作为实验教学课程，它对实验器材的要求比其他课程要高出许多。

本文中，详细论述了一种系统化的，以形位误差综合测量为主题的面向高等院校机械制造专业相关课程实验教学环节实际需求的形位误差综合测量实验设备。

首先，本文对目前普通高等院校机械制造相关专业在形位误差测量教学实验环节所使用的实验设备进行了介绍，并对国内外市场上经济型形位误差测量设备的研制现状进行了分析，得出了目前的形位误差实验设备在教学实验环节并不尽如人意的结论。在此前提下，提出了研制一种新型的形位误差综合测量设备的构想，同时对实验系统的总体结构进行了分析，完成了系统的总体方案的设计。

其次，本文从典型形位误差测量的基本原理出发，结合所需实现的基本功能，研究并设计了硬件系统的总体结构，对组成硬件系统的各功能单元进行了论述和研究，并详细阐述了机械结构、传感器单元和数据转换传输单元的具体构成。

最后，本文对组成实验系统的软件结构和各功能模块进行了详细论述。结合系统硬件构成情况，对系统软件结构进行了整体的规划，设计了具体的功能模块，实现了软件和硬件的协调控制。同时结合典型的形位误差测量实验操作，对系统的软件实现和具体功能做了详细的阐述。

关键词：教学实验；形位误差测量；机械结构设计；VC++设计

Abstract

The experiment of measuring geometric error of workpiece is an important component of the pertinent courses of mechanical manufacturing specialty in institutions of higher learning. As a experimental course, it requires a lot on the related equipments for the experimental teaching compared with other courses.

This paper presents an integrate equipment for the experiment of measuring geometric error of workpiece. This systematized equipment aims at the physical demand of the experimental teaching in the the pertinent courses of mechanical manufacturing specialty in institutions of higher learning.

First, the general condition of the equipments currently allocated in the measuring experimental teaching for the pertinent courses of mechanical manufacturing specialty in institutions of higher learning is analyzed in the paper. Meanwhile, the current background that the research of the economical equipment of measuring geometric error of workpiece in China is not fully up to expectations is introduced. On this condition, a scheme of a new type of integrate equipment for the experimental teaching of measuring geometric error of workpiece is raised. And the general situation and structure of the system are analyzed and designed.

Second, the whole hardware system is researched and designed in details based on the basic principle of the typical geometric error measuring and the supposed function to achieve. The mechanism structure, the sensors and the data transition and transmission unit are discussed in details in the paper.

In the last, the structure and the functional module of the software of the experimental system are discussed in details. The structure of the software get integral designed based on the constitution of the system hardware; the functional module is designed in details to realize the cooperative control of both hard ware and software. Meanwhile, the software realization and concrete function of the system is well shown combined with a typical experiment operation of measuring geometric error of workpiece.

Key words: experimental teaching; geometric error measurring; mechanism structure design; VC++ programming

目录

........................................................................................................................................... II 摘要

Abstract .................................................................................................................................... III

1.前言

1.1概述 ...................................................................................................... （1）

1.2课题来源、目的及意义 ........................................................................ （1）

1.3形位误差测量的概念及相关实验设备研究现状 ................................ （2）

1.4本文研究的主要内容 ............................................................................ （5）

1.5本章小结 ................................................................................................ （6）

2.实验台总体方案研究

2.1实验系统简介 ........................................................................................ （7）

2.2系统总体方案 ........................................................................................ （8）

2.3设计方案小结 ...................................................................................... （11）

3.实验硬件系统研究

3.1系统机械结构研究 .............................................................................. （12）

3.2系统电气结构研究 .............................................................................. （26）

3.3本章小结 .............................................................................................. （34）

4.测量软件系统研究

4.1编程环境简介 ...................................................................................... （35）

4.2系统实验软件结构设计 ...................................................................... （36）

4.3系统实验软件的编码实现 .................................................................. （39）

4.4实验系统的实验实施情况 .................................................................. （53）

4.5本章小结 .............................................................................................. （61）

5. 总结与展望

5.1 全文总结 ............................................................................................. （62）

5.2 工作展望 ............................................................................................. 致 谢 .......................................................................................................................... 参考文献 ..................................................................................................................... 附录 攻读硕士学位期间发表的论文................................................................

62） 64） 65） 69） （（（（

1.前言

1.1概述

制造业是当代工业的基础，它担负着向国民经济其他各行业提供工具、仪器和各类技术装备的任务。在整个制造工艺流程中，由于机床系统本身在制造过程中便具有一定的几何误差，并且加工过程中机床系统和工件产生微量的形变，都会导致工件的制造误差。机械零件的制造误差包括尺寸偏差、形状误差和位置误差，其中形状误差中包含了宏观层面上的几何形状误差以及微观层面上的波度和表面粗糙度。

形状和位置误差（后文简称形位误差）对机械零件的使用功能有着极其重要的影响。例如，滚动导轨工作面相对于安装面的直线度和平行度误差，会直接影响滚动导轨滑块运动的精度；又如，磨床主轴安装砂轮的的定心锥面对两轴颈的跳动误差，会影响砂轮的旋转精度，进而对磨床加工的质量产生不利的影响。但是要求制造完全没有形位误差的的零件，既无技术上的可能也无经济上的必要[1]。

因此，对机械零件的形位误差进行精确的形位误差评定极为重要，通过检测零件的形位误差，既能够剔除不合格产品，把握产品质量，还能帮助对加工工艺和生产流程进行改进和提高。

1.2课题来源、目的及意义

1.2.1课题来源

在普通高等学校教学安排中，《互换性与技术测量》课程属于机械制造专业的必修专业课程。作为机械制造专业实验教学中的一个重要组成部分，形位公差的测量实验对于学生学习和掌握形位公差测量的原理和技术有着相当大的帮助与促进作用，也可以为他们将来的科研和工作打下坚实的基础。但是目前国内市场上针对普通高等学校教学实际出发研制的形位误差测量设备比较少见。本实验室结合教学仪器市场需求实际，决定

自主研发一套经济型形位误差综合测量设备，解决形位误差测量教学实验环节对实验器材的需求，同时也填补了实验室自身教学仪器产品线的空白。

1.2.2课题的目的和意义

本课题主要针对目前普通高等学校形位误差测量实验部署中，实验设备种类单一、数量匮乏且应用受限等现状而立项的。本文将机械、传感器和软件技术相结合，以简洁、精密的机械机构为基础，搭载高精度的位移传感器，并利用可视化软件技术编制用户友好的程序界面，改变传统测量实验过程中，操作步骤复杂、数据结果处理过程枯燥的弊端，将实验过程和测量结果简明方便的传递给学生。本实验设备的研制就是为了是学生更好地掌握形位误差测量实验的原理和过程，巩固相关课程的学习效果。同时，在本实验设备的基础上，通过换装相应的组件，也可以满足中小型企业对普通精度工件形位误差的检测控制工作。

1.3形位误差测量的概念及相关实验设备研究现状

1.3.1形位误差的定义

我国现行的形位公差标准为：《形状和位置公差 通则、定义、符号和图标表示法》（GB/T 1182—1996），《形状和位置公差 未注公差值》（GB/T 1184—1996），《形状和位置公差 检测规定》（GB/T 4249—1996），《形状和位置公差 最大实体要求，最小实体要求和可逆要求》（GB/T 16671—1996）等。这些标准中定义：形位误差是指被测提取要素对其拟合要素的变动量[2]。

形位误差按照规定的特征可分为形状误差和位置误差，位置误差中按照误差性质的区别又可分为定向误差、定位误差以及跳动误差。

结合各项形位误差的定义以及被测要素的性质，可以将形位公差分为三类共14项，具体分类如下表1-1

表1-1 形位误差分类

1.3.2形位误差的测量

在新国标《产品几何量技术规范（GPS）形状和位置公差检测规定》（GB/T 1958一2004）中对形位误差的检测原则、检测条件及检测方案进行了标准化的规定。

在目前的形位误差检测实验中应用的比较多的检测工具包括三坐标测量仪、圆度测量仪、平板和带指示表的表架，以及其他对特定形位误差进行测量的专用量具。

三坐标测量仪是一个通用的专业测量工具，由于采用精密的机械结构以及对空间三维坐标进行运算的的软件，三坐标测量仪基本上可以测量包括形位误差在内的一个工件所具有的全部几何特征数据。圆度测量仪属于专门针对圆度、圆柱度和同轴度等误差项

目的专用的测量工具，由于机械机构是专门针对上述形位误差而设计的，其执行测量的效果更好，测量精度一般可以达到比通用型的三坐标测量仪更高的程度。平板和带指示器的表架属于较传统的基础测量设备，测量范围广、结构简单、造价经济，但是操作复杂、精度不高。其他的专用量具应用范围比较狭窄，每一种量具只对应于特定的形位误差项目，专业性较强，应用范围不广[3]。

1.3.3形位误差的测量实验设备的研究现状

目前普通高校进行实验教学多数采用上述的形位误差测量器材，在长期的教学实践中这些器材在发挥了巨大的作用之余也暴露出极大的缺点及局限性。如前述三坐标测量仪和圆度测量仪，不失为理想的测量形位误差的仪器，但是价格昂贵、测量成本高、操作条件要求严格，维护要求苛刻，通常只适合于科研机构及精密实验室中使用，需放置于专门的计量室中，对环境温度湿度均有严格要求。用这两类精密仪器向学生传授一般的形位误差测量知识，用于测量一般精度的实验工件，经济性不高，对设备本身也会造成不必要的损耗。传统的平板和带指示器的表架造价经济、结构简单、便于维护，方便普通学校大量布置使用。但是这类设备操作比较复杂，需要学生反复进行调整比对，对学生要求比较高，影响实验效果和效率；同时每次实验结束和开始，都要对整个设备进行拆装收捡，对设备的损耗也比较显著。另外在工厂应用实际中，相关技术人员也发明设计出一些专用的测量某些特定的形位误差的测量器具，如测量直线度的刀口尺、激光自准直仪，测量平面度误差的平晶、水平仪等，这些专用设备本身就是对应于特定的形位误差测量设计制造的，局限性较大。另外，高校在部署实验器材的时候就需要为每种特定的形位误差测量实验购置相应的器材，经济性不强。

目前在国内市场上销售和使用的经济性形位误差测量设备主要以国内厂家和研究机构设计为主，比较贴近国情，性价比较好，在国内生产应用领域较为广泛。由于国情和技术基础不同，国外的形位误差设备多为较精密的高端设备，国内进口或者代理的产品也多为此类，虽然可以用来进行教学实验，但是其设计的出发点还是面向研究型实验，专门针对中国市场开发的经济性测量设备很少[4-6]。

在国内，对通用的经济性的形位误差测量设备一直在持续进行。广州机床研究所顾

志成研制的XG-432形位公差测量机，通过机械结构和控制系统的设计，可以进行初步的三坐标测量工作，可实现较高精度的测量效果[7]。青岛四方机车质检部吕会宾与北京工业大学合作多功能形位误差测量系统，可以对生产实际中的机体孔系的同轴度、圆度及圆柱度进行精确测量，并且在为软件系统添加相应的误差评定模块之后，还可以测量轴线直线度、素线直线度和平面度[8]。东北大学王伟、于军等研制的经济性轴类零件形位误差测量仪，在偏摆仪的基础上进行改进，以MCS-51单片机为控制核心，实现对工件圆度、轴线直线度、同轴度以及径向圆跳动误差的测量，并且具有机械结构简单、可实现自动测量的特点[9]。哈尔滨电碳厂佟宝泉、马惠仁等研制的碳石墨刮片形位公差综合测量仪主要针对碳石墨刮片宽度和厚度方向上的平行度误差以及相关工作面的垂直度误差测量而研制，也可应用于其他薄立方体型工件相应形位误差的测量[10]。河北科技大学钱惠芬、黄风山等研制的机械零件形位误差自动测量实验系统，实现了测量数据及结果的自动显示、误差曲线的动态同步绘制等工作，可以实现对机械零件回转类形位误差如直线度、圆度、圆柱度、同轴度及径向跳动误差进行自动测量[11]。燕山大学崔丽娟研制的形位公差综合检具可以检测普通机械零件典型的形位误差，涵盖了典型常规的形位误差检测项目，有效地解决了中小企业对于一般机械零件形位误差的控制检测需求[12]。

综上所述，虽然国内市场上出现的经济型形位误差测量设备较多，但是其出发点仍然是企业现场应用实际，专门针对形位误差测量实验设计的小型化器材数量和种类都比较稀少。

1.4本文研究的主要内容

通过前文中进行的分析，本文的研究目标确定为一种用于形位误差测量教学的综合性实验系统，本文研究的主要内容如下：

1、系统总体设计方案研究。通过对现有设备和器材进行分析，结合应用需求实际，明确本实验系统应具有的总体功能，据此确定系统的总体设计方案。

2、系统硬件结构设计。分析典型形位误差测量的基本原理，结合所需实现的基本功能，确定系统机械结构的布局和设计方案；确定系统配套的电气结构设计，并选择合理的电气元件。

3、系统控制软件设计。结合系统硬件构成情况，对与之配套的软件系统总体架构和各个具体功能构成模块进行研究，完成系统总体设计。最后，以典型的形位误差测量实验为例，通过与传统器材的对比，展示和阐述实验系统的功能

1.5本章小结

本章主要对形位误差的概念进行了阐述，详细分析了目前国内应用于教学实验的经济型形位误差测量设备的研究现状和存在的问题，提出了研制本实验系统的课题来源和目的意义。最后，确定了本文的主要研究方向和具体工作内容。

2.实验台总体方案研究

2.1实验系统简介

本实验系统是面向工科院校机械制造专业互换性与技术测量课程的实验教学环节研制的，其目的是将经济型的形位误差测量设备和计算机控制软件相结合，实现对典型形位误差项目进行手动测量、计算机评定计算，以加强学生对典型实验原理和操作过程的掌握程度，提高实验教学的效率，方便教师开展实验。从总体上来说，本系统采用模块化设计，在满足实验需求的同时，通过更换相应的功能模块，还可以满足工厂的现场检测的实际需求。

本实验系统构成如图2.1所示。实验系统由机械系统、位移传感器和模数转换模块构成的电气系统以及计算机软件系统构成。

图2.1实验系统构成示意图

2.2系统总体方案

由于本实验设备主要面向实验教学环节实际需求，需要覆盖典型的形位误差测量实验，同时具有成本和经济上的考虑，所以本实验系统在设计时需同时从功能性和经济性出发，结合具体实验测量的原理进行布置。在控制成本的同时，力求加深学生们对实验原理和步骤的学习效果，同时编制合理的软件，减轻后期数据处理的工作量。

考虑到实验系统操作上的便利和实验系统部署和后期维护的经济型，初步决定实验系统的测量原理为，通过机械结构在X、Y、Z三个方向上的运动，将测量头移动到合适的位置，将被测实验工件的形位误差量转化为测量头上安置的位移传感器的位移量进行测量和误差评定。通过这种设计，可以取消传统三坐标测量仪上对三个坐标轴方向上安置的光栅尺和较复杂的气垫导轨结构，有效地简化了实验台机械和电气结构的设计难度，实现精度和经济性的平衡[13]。

2.2.2系统硬件方案

实验系统机械结构考虑以精密平板作为底座，开展测量实验。这样设置的优势在于在测量多种形位误差时，均可以将平板底座作为测量基准进行测量，简化实验台的结构布置，提高经济性。在测量原理上考虑以适当的结构将测量工件的形位误差转换成位移量，方便布置高精度位移传感器获得位移量。最后配合模数转换模块，将数据输入计算机籍由软件部分实现对实验数据的误差处理[14]。

进行具体实验部署时，由于进行直线度、平行度、圆度、全跳动误差等测量实验时，测量点需进行一个方向上（X/Y/Z向）的直线运动；进行平面度测量时，测量点需进行两个方向上（X、Y向）的独立直线运动。如是，测量头需要实现三个方向上的直线运动，并且对运动的精确性都有一定的要求。

由于实验系统面向学生教学实验环节，需考虑到实验设备的经济型和结构简洁性，故对实验系统机械结构的运动方式设计为手动控制，学生手动调节测量头到达测量点进行测量取值。由于回避了电机—丝杆系统的弊端，比较容易控制机械运动的精度。同时采用手动操作测量，也有利于学生一步一步掌握具体形位误差测量实验的基本测量原理，

在进行实验的过程中加强对形位误差的概念、测量原理和具体步骤的理解和记忆效果[15]。

电气设计方案中，由于一般的位移传感器原理上均是将物理量转化成电流或电压之类的模拟信号，而实验系统设计是通过配套的软件进行实验误差的分析和评定，所以需要配置带有A/D转换功能的数据转换模块将模拟位移量信号转换成数字量信号，并且通过相应的数据传输接口将数据输入进计算机，最后由实验软件进行数据处理[16]。

综上所述，本实验系统硬件方案可以由图2.2和图2.3来表示。

图2.2机械结构方案图

机械部分结构的设计，需保证测量头能在X/Y/Z方向上进行准确移动。

图2.3电气结构方案图

系统电气结构的设计，需保证能由位移传感器将实验工件的形位误差值转换为位移量进行采集，并由相应的模块将模拟量转换成数字量，并通过通信功能传输进计算机。

2.2.2系统软件方案

控制软件部分在整个实验过程中首先利用可视化的人机界面指引学生完成实验测量取值的过程，同时通过数据传输得到传感器和转换模块传递的数字信号，最后通过数据处理模块对数据量进行处理，评定形位误差得到实验结果并显示和报告。

研究目前国内存在的经济型形位误差评定软件系统以及兄弟院校研制的用于形位误差测量实验的教学软件可以发现，其最大的缺陷是没有实现系统化，要么是针对具体的实验设置的单独的软件，实验功能及相应程序均已固化，后期升级改造空间很小，更别论拓展到其他实验项目的测量[10, 17-20]；要么就是纯粹设计成用于数据处理的算法软件，软件本身脱离形位误差测量实验的实际操作，需要后期调入测量数据甚至手动输入数据

[21-24]。这样的软件系统应用范围就比较有限，无法满足高校实验教学环节的需求。

软件结构的设计需满足图中所示的功能，主要包括数据的传输、数据的存储和实时显示、对形位误差的评定以及结果的输出功能。此套控制软件的设计上应考虑采用系统化、模块化设计，将每一个具体的形位误差测量实验设计成一个单独的模块，针对具体实验设计相对应的人机界面，努力做到实验步骤的设置具有引导性和启发性，加强学生对实验原理和过程步骤的理解和掌握，能更好地学习具体形位误差的概念和测量方法。同时针对具体的实验，选择合适的算法作为模块化封装到一起，提高实验数据处理环节的计算效率。也对后期整个实验系统升级和扩展实验项目留有余地[25]。

图2.4 软件结构方案图

2.3设计方案小结

本实验教学系统针对前人研制的测量设备的不足之处，有效地满足了高校实验教学环节的需求。总体来说，本实验系统具有以下几个特点：

（1）开放性

由于本系统是面向教学实验环节的实际需求研制的，其结构设计需满足开放性的要求，便于直观教学。本实验系统的机械结构和电气元件在保证使用功能的同时都可以被学生直接观察到。另外，本实验系统在使用功能上也具有较好的开放性，使得系统在具有较强的适应性，通过更换更高等级的功能模块，再利用VC++的编程环境调整测量软件，可以在一定程度上实现对实验系统的升级改造，完成更高要求的测量工作，扩展应用领域。

（2）针对性

形位误差测量教学实验环节对设备器材的依赖性较强，目前传统的实验设备和市场上出现的经济型形位误差测量设备均有着不同程度的弊端，阻碍了在实验教学环节上的推广应用。本套设备在设计制造整个流程均瞄准了现阶段普通高等学校形位误差测量实验开展部署的实际需求，通过设计合理的结构，选用合理的器材，在达到传统实验器具精度效果的同时，保证了一定的经济型，利于高校实验室规模引进，开展教学。

（3）引导性

在现代高校开放性教学的潮流引导下，传统的实验器材由于操作和后期数据处理上的复杂性越来越局限了学生学习相关专业课程的热情和积极性。本套实验系统具有简洁的机械构件和用户友好的人机界面，同时控制软件中实验步骤的编制过程也充分体现了相关形位误差测量的基本原理，在实验过程中，学生可以根据引导一步步熟悉和掌握相关形位误差的原理和测量方法，同时通过具有数据处理和误差评定功能的实验软件，学生可以在第一时间得到测量结果的反馈，从而对他们的测量过程进行自我评估和调整。通过整套实验系统的引导性，充分锻炼和提高学生们的动手能力。

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