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原文传递非正交系坐标测量机理论及轮轨外形测量技术研究

论文题名：	非正交系坐标测量机理论及轮轨外形测量技术研究
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
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、角度零点确定、高速同步锁存读数、无线通讯的实现等问题。 6.提出了一种铁质工件断面自由曲线的自动扫描测量系统。系统可控制并测量角度编码器的平面位置，在编码器转轴上固定带磁性测量轮的测量杆。控制策略是：利用测量杆的重力效应与摆动角度自动搜寻测量对象，根据最新测得的两点坐标，调整测杆方向并前进一个步长。试验表明：这种方案具有简单、经济的特点，对工件位置与外形的变化具有自动适应的功能。 7.论文完成的试验包括：便携式轮轨外形测量仪的研究试验；车轮外形采用磁性滚轮进行自动测量的试验；钢轨轨距、水平连续检测推车试验。试验均达到了预期目的，证明了非正交系CMM理论及应用的可行性。本论文研究工作的主要创新点在于：首次系统研究了非正交系坐标测量机的原理、方法，可测性、准确性理论。研究了测量机构的构型方法，根据被测对象特点，提出了4种新型测量仪器或装置方案： (1)基于杆长测量的CMM方案，可用简单工艺获得更高的测量准确度，已获得中国发明专利：ZL01128866.3。 (2)基于角度测量的六自由度测量机构，特别适合快速检测毛笔杆动态位姿参数，将古老的毛笔书法信息数字化。 (3)基于五连杆平面机构的便携式轮轨外形测量仪，可测量各种车轮和钢轨的外形曲线，实现测量仪器的集成并提高测量准确度。 (4)基于杆长测控的轮对尺寸自动测量装置，取消了轮对提升及定位设备，精简了结构，该设计已获中国发明专利：ZL01108526.6。
作者：	周文祥
专业：	载运工具运用工程
导师：	沈志云
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文