三峡水轮发电机镜板平面度测量方法研究
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摘要
大型高精度镜板的平面度测量，一直没有真正实用的测量方法。为实现三峡工程重点设备的国产化，急需能够实用的高精度大型镜板平面度测量仪器。本文以三峡大型镜板平面度测量为目标，对大型高精度镜板平面度测量方法进行了研究。
根据三峡大型高精度镜板平面度的测量要求，在分析和总结了前人所做工作的基础上，创造性提出了大型镜板平面度水平仪随机走位自动测量法。
为实现这一测量方法，对以下关键技术进行了研究：
对测量系统进行位置运动学分析，运用齐次矩阵变换理论建立了水平仪随机走位坐标转换数学模型，将测量点位置和测量值转换到同一坐标系中，以满足平面度评定的要求。
对测量系统进行了运动控制学研究，采用了位置控制与力控制相结合的组合控制方案，并设计出充分体现这一控制思想的机械结构和控制系统，实现了测量系统的自动行走与测量。
充分利用单片机与台式机各自的特长，设计了主从控制方式，现场测量控制、测量数据采集与控制程序编制、数据转换处理分别在单片机和台式机上进行。
对平面度误差评定方法进行了探讨，采用了适合于多测量点的最小二乘法平面度误差评定方法。
在上述研究工作的基础上，设计制造出一套实用的测量系统。仪器包括机械结构、高精度水平仪、测量控制系统、数据采集与传输系统、数据转换与平面度评定软件五个主要部分。
测量系统精度达到2.4μm，重复性标准差0.8μm。实验表明，该系统可以满足三峡大型镜板平面度的测量。系统已通过三峡办公室组织的专家验收，并已与三峡镜板生产厂家签订了订购合同。
For manufacturing the important equipment for Sanxia project,measurement instrument was urgently needed to measure the planeness error of the Big Mirror(a part of thrust bearing). But now,there is no good method for the measuring of planeness of high precision large plane. A research for one good method for Sanxia Big Thrust Bearing Plate planeness error measurement was done and described in this dissertation.
According to the requirement of Sanxia Big Thrust Bearing Plate planeness measurement,based on overall analyzing and studying of the previous researches,a new method was proposed. It was named as Gradienter random automatic moving planeness error measurement method for Big Thrust Bearing Plate.
The following research work has been done:
Position kinematics analysis was done. Using a mathematics tool:Homogeneous Matrix,the transformation of measurement coordinate was built. Through it all measurement positions are described in one coordinate. This is needed for planeness error calculation.
Motion control was studied. By mechanical and control system design a combined motion control mode was mad. It includes both position control and force control. This made sure an automatic movement and measurement system was designed.
Using the advantages of both the single-piece computer and desk computer,divided control system and data process system was made. Single-piece computer is for fieldwork and desk computer for complex calculation work.
Based on studying of the methods for planeness error calculation,one suitable method was selected. It is the Least Square method.
A real measurement system was designed and manufactured. It includes five main parts:mechanical structure,high precision Gradienter,measurement control system,data recording and processing system and soft ware for coordinate transformation and planeness error calculation.
The accuracy of the measurement system is 2.4um,the repeatability is 0.8 um. It is suitable for measuring Sanxia Big Thrust Bearing Plate. The project has passed the acceptance of Sanxia project office and the instrument has ordered by the company that will manufacture Sanxia Big Thrust Bearing Plate.
Zhang Jingcai (Mechanical Design and theory) Directed by:Academician Lei Tianjue Professor Cheng Yuexiang
根据三峡大型高精度镜板平面度的测量要求，在分析和总结了前人所做工作的基础上，创造性提出了大型镜板平面度水平仪随机走位自动测量法。
为实现这一测量方法，对以下关键技术进行了研究：
对测量系统进行位置运动学分析，运用齐次矩阵变换理论建立了水平仪随机走位坐标转换数学模型，将测量点位置和测量值转换到同一坐标系中，以满足平面度评定的要求。
对测量系统进行了运动控制学研究，采用了位置控制与力控制相结合的组合控制方案，并设计出充分体现这一控制思想的机械结构和控制系统，实现了测量系统的自动行走与测量。
充分利用单片机与台式机各自的特长，设计了主从控制方式，现场测量控制、测量数据采集与控制程序编制、数据转换处理分别在单片机和台式机上进行。
对平面度误差评定方法进行了探讨，采用了适合于多测量点的最小二乘法平面度误差评定方法。
在上述研究工作的基础上，设计制造出一套实用的测量系统。仪器包括机械结构、高精度水平仪、测量控制系统、数据采集与传输系统、数据转换与平面度评定软件五个主要部分。
测量系统精度达到2.4μm，重复性标准差0.8μm。实验表明，该系统可以满足三峡大型镜板平面度的测量。系统已通过三峡办公室组织的专家验收，并已与三峡镜板生产厂家签订了订购合同。
For manufacturing the important equipment for Sanxia project,measurement instrument was urgently needed to measure the planeness error of the Big Mirror(a part of thrust bearing). But now,there is no good method for the measuring of planeness of high precision large plane. A research for one good method for Sanxia Big Thrust Bearing Plate planeness error measurement was done and described in this dissertation.
According to the requirement of Sanxia Big Thrust Bearing Plate planeness measurement,based on overall analyzing and studying of the previous researches,a new method was proposed. It was named as Gradienter random automatic moving planeness error measurement method for Big Thrust Bearing Plate.
The following research work has been done:
Position kinematics analysis was done. Using a mathematics tool:Homogeneous Matrix,the transformation of measurement coordinate was built. Through it all measurement positions are described in one coordinate. This is needed for planeness error calculation.
Motion control was studied. By mechanical and control system design a combined motion control mode was mad. It includes both position control and force control. This made sure an automatic movement and measurement system was designed.
Using the advantages of both the single-piece computer and desk computer,divided control system and data process system was made. Single-piece computer is for fieldwork and desk computer for complex calculation work.
Based on studying of the methods for planeness error calculation,one suitable method was selected. It is the Least Square method.
A real measurement system was designed and manufactured. It includes five main parts:mechanical structure,high precision Gradienter,measurement control system,data recording and processing system and soft ware for coordinate transformation and planeness error calculation.
The accuracy of the measurement system is 2.4um,the repeatability is 0.8 um. It is suitable for measuring Sanxia Big Thrust Bearing Plate. The project has passed the acceptance of Sanxia project office and the instrument has ordered by the company that will manufacture Sanxia Big Thrust Bearing Plate.
Zhang Jingcai (Mechanical Design and theory) Directed by:Academician Lei Tianjue Professor Cheng Yuexiang
引文
1．国家重点科技项目(攻关)计划专题合同《三峡发电机关键部件制造工艺研究》国家计划委员会制 1997．10．6
2．GB11337-89 平面度误差检测
3．甘永立，形状和位置误差检测，1995，第1版，国际工业出版社
4. Powell, L. Absolute figure measurement with a liquid-flat reference. Appl. Opt. 1998.37(13)
5．刘丽华等，几种大型平面度测量方法比较，宇航计测技术，1998，第18卷，第6期
6．汪恺，机械制造基础标准应用手册，1997，第1版，机械工业出版社
7．花国梁，精密测量技术，1986，清华大学出版社
8．刘兴占，梁晋文，陈博一，花国梁，何树荣等，大平面平面度测量系统，计量技术，1998，第12期
9．董艳玲，准直激光和五棱镜回转扫描法测量大型工件平面度，计量技术，1990，第2期
10．陈博一，双光束扫射式大平面测量仪的研制，1987，清华大学精仪系
11．徐家复，双光束精密激光准直技术联刊，1983，第2期
12．刘兴占、梁晋文等，对称双光束扫描法精密测量大平面平面度的研究，1988，全国机械量测试学会几何量测试技术交流会，成都
13．刘兴占、梁晋文，大型零件表面平面度误差测量方法的研究，首届全国形位公差测试技术研讨机及展示会 1991
14. Kuang-Chao Fan, john H. Wu. A parallel beam scannong system for flatness measurements of thin plates. Proceedings of SPIE 2101 for Measurement Technology and Intelligent Instruments. Wuhan 1993
15. ALBERTAZZI GONCALVES JR. ARMANDO, A Low Cost Automatic Flatness Measurement System, Proceedings of 2nd IMEKO TC14 International Symposium on Metrology for Quality Control in Production. 1989, Beijing, China
16．叶声华，樊玉珍，提高激光准直精度的一种有效方法，计量学报，1986，第7卷，第4期
17. Ma Shuyuan, Liang Jinwen. Alignment measurement with laser diode. Proceeding of SPIE 2101 for Measurement Technology and Intelligent Instruments. Wuhan, 1993
18．王世华，周立冬，周肇飞，半导体激光的准直技术，应用激光 1992，第12卷，第4期
19. Wangjia, Caomang, Lidacheng, A Laser Measurement System for Measuring Flatness, Parallelist and Perpendicularity of large Workpieces, SPIE (1983) 1993
20．郝群，激光准直和CCD测量技术在大型尺寸形位误差测量中的应用研究，1997，清华大学博士论文
21. CHEN J.,WARD R.,WATERWORTE G., Measuring Surface Profile with Low-Resolution Displacement Laser Sensors, Proceedings of IMEKO 2000, Vienna, Austria 2000
22．王佳、李达成等，大型工件平面度平行度垂直度误差计算与评定方法，航空计测技术，1994，第14卷，第2期
23. Qun Hao, Instrument for measuring flatness by using laser and CCD, SPIE's International Symposium on Automated Optical Science, Engineering and Instrumentation, Colorado USA 1996
24．清华大学精密计量与测试教学组，精密计量与测试，1996，清华大学光电技术与仪器教研组
25. Elssner, K.E. Recent development in absolute interoferometric testing of flats. Proc. Of SPIE, Vol. 2340, 1994. warsaw, Poland.
26. Yeskov, D.N., Holographic reference glass for surface planeness testing SPIE(2340) 1994
27．清华大学，平面度测量仪，重大技术装备共性技术成果与应用，1991，机械工业出版社
28．寥念钊等，水轮发电机镜板平面度误差测量，宇航计测技术，1997，第17卷，第2期
29．廖念钊等，环形表面平面度误差测量，重庆计量 1987，第5期
30. SONZAKI S.,IWATA K.,IWAHASHI Y., Standardless Profile Measurement Along Circles, Proceedings of IMEKO 2000, Vienna, Austria 2000
31. Carlsson, T.E. Automatic measurement of surface height with the interferescope. Opt. Eng. 1996.35(10)
32．陈哲等，机器人技术基础，机械工业出版社 1997
33．张伯鹏等，机器人工程基础，1989，机械工业出版社
34．史荣昌等，矩阵分析，1996，北京理工大学出版社
35．理查德，李泽湘等，1998，机器人操作的数学导论
36．陈明逵等，计算方法教程，1992，第1版，西安交通大学出版社
37．丁丽娟，数值计算方法，1997，第1版，北京理工大学出版社
38．汪恺等，形位公差原理与应用，1991，第2版，机械工业出版社
39．陈月祥等，形位公差测量技术，1987，机械工业基础标准情报网
40．黄清渠，几何量计量，1981，第1版，机械工业出版社
41．张善锺，精密仪器结构设计手册，1993，第1版，机械工业出版社
42．上海交通大学等，精密机械与仪器零件部件设计，1989，上海交通大学出版社
43．徐灏等，机械设计手册，1991，第1版，机械工业出版社
44．中国天津机床电器总厂，电磁离合器电磁制动器
45．WYLER AG,Operator's Manual for MINILEVEL"classic"and"NT",1999,Switzerland
46．李杏春等，8098单片机原理及实用接口技术，1996，第1版，北京航空航天大学出版社
47．杨振江等，新型集成电路使用指南与典型应用，1998，西安电子科技大学出版社
48．李璇华等，利用MODBUS提高多CPU系统协同开发的效率，电子技术应用，2002，第2期
49．骆长江等，8098单片机与80386微机的通信，电子技术应用，1994，第9期
50．肖明耀，误差理论与应用，1985，第1版，计量出版社
51．刘智敏，误差与数据处理，1981，第1版，原子能出版社
2．GB11337-89 平面度误差检测
3．甘永立，形状和位置误差检测，1995，第1版，国际工业出版社
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8．刘兴占，梁晋文，陈博一，花国梁，何树荣等，大平面平面度测量系统，计量技术，1998，第12期
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14. Kuang-Chao Fan, john H. Wu. A parallel beam scannong system for flatness measurements of thin plates. Proceedings of SPIE 2101 for Measurement Technology and Intelligent Instruments. Wuhan 1993
15. ALBERTAZZI GONCALVES JR. ARMANDO, A Low Cost Automatic Flatness Measurement System, Proceedings of 2nd IMEKO TC14 International Symposium on Metrology for Quality Control in Production. 1989, Beijing, China
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17. Ma Shuyuan, Liang Jinwen. Alignment measurement with laser diode. Proceeding of SPIE 2101 for Measurement Technology and Intelligent Instruments. Wuhan, 1993
18．王世华，周立冬，周肇飞，半导体激光的准直技术，应用激光 1992，第12卷，第4期
19. Wangjia, Caomang, Lidacheng, A Laser Measurement System for Measuring Flatness, Parallelist and Perpendicularity of large Workpieces, SPIE (1983) 1993
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21. CHEN J.,WARD R.,WATERWORTE G., Measuring Surface Profile with Low-Resolution Displacement Laser Sensors, Proceedings of IMEKO 2000, Vienna, Austria 2000
22．王佳、李达成等，大型工件平面度平行度垂直度误差计算与评定方法，航空计测技术，1994，第14卷，第2期
23. Qun Hao, Instrument for measuring flatness by using laser and CCD, SPIE's International Symposium on Automated Optical Science, Engineering and Instrumentation, Colorado USA 1996
24．清华大学精密计量与测试教学组，精密计量与测试，1996，清华大学光电技术与仪器教研组
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27．清华大学，平面度测量仪，重大技术装备共性技术成果与应用，1991，机械工业出版社
28．寥念钊等，水轮发电机镜板平面度误差测量，宇航计测技术，1997，第17卷，第2期
29．廖念钊等，环形表面平面度误差测量，重庆计量 1987，第5期
30. SONZAKI S.,IWATA K.,IWAHASHI Y., Standardless Profile Measurement Along Circles, Proceedings of IMEKO 2000, Vienna, Austria 2000
31. Carlsson, T.E. Automatic measurement of surface height with the interferescope. Opt. Eng. 1996.35(10)
32．陈哲等，机器人技术基础，机械工业出版社 1997
33．张伯鹏等，机器人工程基础，1989，机械工业出版社
34．史荣昌等，矩阵分析，1996，北京理工大学出版社
35．理查德，李泽湘等，1998，机器人操作的数学导论
36．陈明逵等，计算方法教程，1992，第1版，西安交通大学出版社
37．丁丽娟，数值计算方法，1997，第1版，北京理工大学出版社
38．汪恺等，形位公差原理与应用，1991，第2版，机械工业出版社
39．陈月祥等，形位公差测量技术，1987，机械工业基础标准情报网
40．黄清渠，几何量计量，1981，第1版，机械工业出版社
41．张善锺，精密仪器结构设计手册，1993，第1版，机械工业出版社
42．上海交通大学等，精密机械与仪器零件部件设计，1989，上海交通大学出版社
43．徐灏等，机械设计手册，1991，第1版，机械工业出版社
44．中国天津机床电器总厂，电磁离合器电磁制动器
45．WYLER AG,Operator's Manual for MINILEVEL"classic"and"NT",1999,Switzerland
46．李杏春等，8098单片机原理及实用接口技术，1996，第1版，北京航空航天大学出版社
47．杨振江等，新型集成电路使用指南与典型应用，1998，西安电子科技大学出版社
48．李璇华等，利用MODBUS提高多CPU系统协同开发的效率，电子技术应用，2002，第2期
49．骆长江等，8098单片机与80386微机的通信，电子技术应用，1994，第9期
50．肖明耀，误差理论与应用，1985，第1版，计量出版社
51．刘智敏，误差与数据处理，1981，第1版，原子能出版社