采用邊緣擬合配合誤差補(bǔ)償方法的機(jī)械零件加工模擬技術(shù)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，相關(guān)學(xué)者開(kāi)始重視對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的研究。精密加工技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械制造企業(yè)生產(chǎn)零件所采用的重要手段之一。機(jī)械制造企業(yè)采用精密加工技術(shù)能夠更新產(chǎn)品的質(zhì)量、提高產(chǎn)量，進(jìn)而增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。精密加工技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)零件加工的高精度以及零件表面質(zhì)量的最優(yōu)化。當(dāng)前的機(jī)械零件具有復(fù)雜性和多樣性，其從最初的單一模型逐漸發(fā)展為多模型，零件上的孔由原來(lái)的單一孔類型向多類型孔發(fā)展，這些變化會(huì)導(dǎo)致零件對(duì)相應(yīng)的零件加工技術(shù)和精度的要求越來(lái)越高。企業(yè)生產(chǎn)某種類型的機(jī)器設(shè)備時(shí)，通常采用流水線生產(chǎn)方式完成對(duì)機(jī)器產(chǎn)品的加工和組裝。

一個(gè)機(jī)器設(shè)備由大量的零件組成，不同的零件會(huì)由不同的生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行加工，再進(jìn)行組裝形成最終的機(jī)器產(chǎn)品。各個(gè)零件的質(zhì)量以及各零件之間的吻合匹配精度決定了最終合成的機(jī)器產(chǎn)品的性能高低。零件的形狀以及曲面精度，影響相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量、運(yùn)行效率、安全性、使用周期等因素;零件的形位公差決定著零件之間的匹配精度。因此對(duì)各零件質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)有效檢測(cè)，可確保組合產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬機(jī)械零件的加工過(guò)程，能夠大大降低企業(yè)的加工成本，提高零件加工精度和效率。

1、 高精密零件生產(chǎn)中的圖像擬合

采用計(jì)算機(jī)模擬零件的加工過(guò)程，需要先采集零件的特征數(shù)據(jù)。本文通過(guò)圖像處理技術(shù)定位零件的坐標(biāo)，進(jìn)而獲取零件的邊緣數(shù)據(jù);基于零件的邊緣數(shù)據(jù)，采用相應(yīng)的方法能夠獲取目標(biāo)參數(shù)。本文對(duì)圓形零件的計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程進(jìn)行分析，通過(guò)最小二乘法擬合該圓，可以及時(shí)有效的獲取各圓孔的孔徑以及圓心坐標(biāo)。詳細(xì)的過(guò)程為：

依據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法原理，需要從從一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi，yi ）（i=1，2，…，p）中提取自變量x與因變量y 之間的函數(shù)關(guān)系y=G（x）。由于觀測(cè)的數(shù)據(jù)通常具有隨機(jī)性，因此要求y=G（x）不必通過(guò)全部點(diǎn)（xi，yi ），但是要求在給定點(diǎn)xi 上的誤差ζi=G（x）-yi （ i=1，2，…，p）需要依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范實(shí)現(xiàn)最小化。最小二乘法的原理為：如果存在一組數(shù)據(jù)（xi，yi ）（i=1，2，…，p），則需要在函數(shù)空間μ=span{μ0，μ1，…，μq}中搜索出一個(gè)函數(shù)y=Z*（x），使誤差平方和為：

2 、擬合誤差補(bǔ)償技術(shù)

通過(guò)運(yùn)算獲取零件的相關(guān)擬合數(shù)據(jù)后，應(yīng)對(duì)這些擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償。零件的角度誤差以及徑向誤差影響著零件的位置誤差。各圓孔的位置誤差具有一定的關(guān)聯(lián)性，分析單個(gè)零件的相關(guān)參量是否小于該零件的容差，可以判斷該零件的質(zhì)量是否合格。因此在一定的容差范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圓孔零件的徑向誤差補(bǔ)償和角度誤差補(bǔ)償，獲取最佳分析位置，進(jìn)而得到最優(yōu)的數(shù)據(jù)。

通過(guò)角度誤差補(bǔ)償獲取最佳分析位置后，若中間孔的位置大于理論規(guī)范值且在容差范圍內(nèi)，則采用該點(diǎn)的空間對(duì)其它均衡分布的孔進(jìn)行徑向補(bǔ)償，且要求徑向補(bǔ)償后最大的位置度誤差為最小。詳細(xì)的過(guò)程為：

（1）搜索最大位置度的孔，獲取該孔的角向方向θ;（2）運(yùn)算出補(bǔ)償?shù)牟介L(zhǎng)L，本文采用最大補(bǔ)償值除以10 作為原始步長(zhǎng)，實(shí)際測(cè)量的中間孔直徑與理論標(biāo)準(zhǔn)的中間孔直徑的差值除以2 就是最大補(bǔ)償值;（3）將標(biāo)準(zhǔn)模板向角向方向θ 移動(dòng)步長(zhǎng)L，運(yùn)算出移動(dòng)后的位置度;（4）分析移動(dòng)前后的最大位置度誤差，判斷移動(dòng)后最大位置度誤差的絕對(duì)值是否變小，若變小則返回步驟（1）;否則回到原來(lái)的位置，并將步長(zhǎng)縮小一半，返回步驟（3）;（5）若步長(zhǎng)小于實(shí)際的目標(biāo)精度Q，或最大位置度誤差的變化小于實(shí)際的目標(biāo)精度P，則結(jié)束徑向補(bǔ)償。

徑向誤差補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D用圖1 描述，圖中的Q 和P 的值可按照實(shí)際要求的精度進(jìn)行設(shè)置。

3 、實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果分析

采用實(shí)驗(yàn)對(duì)本文算法下的某8 孔圓形零件的計(jì)算機(jī)仿真圖像進(jìn)行分析，可判斷本文算法的有效性。先采用實(shí)際的測(cè)量工具對(duì)該圓形零件進(jìn)行10 次測(cè)量，未發(fā)現(xiàn)明顯的差異;再使用計(jì)算機(jī)對(duì)零件進(jìn)行5 次模擬仿真測(cè)試，獲取的數(shù)據(jù)用表1 描述。再將該零件按任意角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，獲取的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)用表2 描述，相應(yīng)的仿真效果圖用圖2 描述。

采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行仿真的過(guò)程中，由于背景光具有隨機(jī)性和和多樣性，會(huì)導(dǎo)致攝像機(jī)的成像效果出現(xiàn)波動(dòng)，使得最終獲取的仿真數(shù)據(jù)具有一定的差異性。因此本文算法下的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)誤差。分析表1 中的數(shù)據(jù)可得，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的圓形零件的孔徑的測(cè)量波動(dòng)小于0.006 mm，位置度的波動(dòng)小于0.02 mm，都在允許的誤差范圍內(nèi)。通過(guò)表2 可得，圓形零件各孔的位置度波動(dòng)小于0.25 mm在允許的誤差范圍內(nèi)， 并且波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差是0.0062，幾乎趨近于零。因此說(shuō)明，本文算法的仿真結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 、結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種用于機(jī)械零件加工模擬的計(jì)算仿真技術(shù)。通過(guò)圖像處理的方式，準(zhǔn)確模擬加工后零件的尺寸特征，在仿真過(guò)程中，采用邊緣擬合配合誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，運(yùn)用最小二乘法完成復(fù)雜元器件的擬合過(guò)程，為了保證精度的要求，運(yùn)用擬合誤差補(bǔ)償技術(shù)，最大程度的完成機(jī)械零件高精度加工模擬。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)證明，本文方法下的零件擬合，能夠滿足精度要求，取得了令人滿意的結(jié)果。

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