微小尺寸弹性零件刚度自动检测方法的研究

　　1　引　　言

　　目前生产现场中仍广泛使用手工加载砝码,由线纹尺或光学仪器测量位移量,最后获得刚度值的方法。其最大缺陷是:测量精度差,工作效率低,且只能测试有限的个别点的刚度,不能完全反映零件的完整的刚度特性。

　　本文提出一种自动测量弹性元件刚度的新方法,能够直接得到弹性元件的完整刚度曲线,可获得很高的测量精度。

　　2　测量系统组成

　　测量系统构成如图1所示,弹性元件被安装在测试台的夹具上,加载器在计算机的控制下对弹性元件施加微力载荷,所加载荷大小由测力仪检测,与此同时,CCD摄像机对弹性元件的变形位移进行检测,载荷量和位移量同时输入计算机,通过数据处理得到被测弹性元件的刚度[1]。

　　3　系统设计

　　3.1　图像式位移检测系统设计

　　由光源发出的平行光束照射到弹性元件检测点位置上,其边缘轮廓经过一个显微光学镜组成像在摄像机的CCD像面上,经过计算机进行图像处理后得到被测元件的初始位置。当加载机构工作后,零件产生变形和位移,其边缘轮廓位置相应产生变化。通过摄像系统连续不断采集零件边缘图像,可以通过计算得到零件的位移量。

　　3.2　加载系统设计

　　在测量刚度时弹性元件的位移量很小,位移分辨率很高,但对定位精度要求不高。为了解决加载机构大量程快速移动和小量程精密微位移的矛盾,系统采用步进电机作为控制执行器,实现大量程快速移动和精密定位。在导轨前端串联一个测力传感器,用来检测施加的载荷大小。

　　4　误差分析

　　4.1　位移测量误差分析

　　1)图像测量误差:像素间距为8.3μm,细分倍数为10,放大倍数为5,由此引起的位移测量误差则为[2]:

　　Δ1=2×0.166=0.33　(μm)

　　2)标定误差:假设采用实物标定,标准件尺寸取为LB=1200μm,尺寸精度(包括圆度)为ΔB=0.1μm,由此引起的位移测量误差为[3]:

　　Δ2=Δ21+(ΔBL/LB)2=0.35　(μm)

　　3)安装调整误差:设安装引起的检测点位置变化为0.02mm,检测点与图像系统距离A=20mm,由此引起的位移测量误差最大为:

　　Δ3=LΔA/A/4=0.3　(μm)

　　4)方向误差:假设位移方向与标定的测量方向角度偏差为1°,由此引起的位移测量误差为:

　　Δ4=L×(1-cos1)=0.32　(μm)

　　综合上述误差,可以得到位移测量精度:

　　4.2　载荷测量误差分析

　　1)力传感器测量误差:根据力传感器的技术指标,该项误差为:

　　Δ1=0.02%×10=0.002　(N)

　　2)传感器安装误差:设传感器与加载方向角度偏差为2°,由此引起的载荷测量误差为: