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)自動化的不斷發(fā)展，相關(guān)學(xué)者開始重視對先進(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)的競爭能力。精密加工技術(shù)的目標(biāo)是實現(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，零件上的孔由原來的單一孔類型向多類型孔發(fā)展，這些變化會導(dǎo)致零件對相應(yīng)的零件加工技術(shù)和精度的要求越來越高。企業(yè)生產(chǎn)某種類型的機(jī)器設(shè)備時，通常采用流水線生產(chǎn)方式完成對機(jī)器產(chǎn)品的加工和組裝。

一個機(jī)器設(shè)備由大量的零件組成，不同的零件會由不同的生產(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。因此對各零件質(zhì)量進(jìn)行及時有效檢測，可確保組合產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，采用計算機(jī)仿真技術(shù)模擬機(jī)械零件的加工過程，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

采用計算機(jī)模擬零件的加工過程，需要先采集零件的特征數(shù)據(jù)。本文通過圖像處理技術(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)。本文對圓形零件的計算機(jī)模擬過程進(jìn)行分析，通過最小二乘法擬合該圓，可以及時有效的獲取各圓孔的孔徑以及圓心坐標(biāo)。詳細(xì)的過程為：

依據(jù)科學(xué)實驗的統(tǒng)計方法原理，需要從從一組實驗數(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）。由于觀測的數(shù)據(jù)通常具有隨機(jī)性，因此要求y=G（x）不必通過全部點（xi，yi ），但是要求在給定點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)

通過運算獲取零件的相關(guān)擬合數(shù)據(jù)后，應(yīng)對這些擬合數(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)，可實現(xiàn)對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)，則采用該點的空間對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)的過程為：

（1）搜索最大位置度的孔，獲取該孔的角向方向θ;（2）運算出補(bǔ)償?shù)牟介LL，本文采用最大補(bǔ)償值除以10 作為原始步長，實際測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 移動步長L，運算出移動后的位置度;（4）分析移動前后的最大位置度誤差，判斷移動后最大位置度誤差的絕對值是否變小，若變小則返回步驟（1）;否則回到原來的位置，并將步長縮小一半，返回步驟（3）;（5）若步長小于實際的目標(biāo)精度Q，或最大位置度誤差的變化小于實際的目標(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 的值可按照實際要求的精度進(jìn)行設(shè)置。

3 、實驗仿真結(jié)果分析

采用實驗對本文算法下的某8 孔圓形零件的計算機(jī)仿真圖像進(jìn)行分析，可判斷本文算法的有效性。先采用實際的測量工具對該圓形零件進(jìn)行10 次測量，未發(fā)現(xiàn)明顯的差異;再使用計算機(jī)對零件進(jìn)行5 次模擬仿真測試，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。

采用計算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)對零件進(jìn)行仿真的過程中，由于背景光具有隨機(jī)性和和多樣性，會導(dǎo)致攝像機(jī)的成像效果出現(xiàn)波動，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驗數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一定的波動誤差。分析表1 中的數(shù)據(jù)可得，實驗測試的圓形零件的孔徑的測量波動小于0.006 mm，位置度的波動小于0.02 mm，都在允許的誤差范圍內(nèi)。通過表2 可得，圓形零件各孔的位置度波動小于0.25 mm在允許的誤差范圍內(nèi)， 并且波動標(biāo)準(zhǔn)差是0.0062，幾乎趨近于零。因此說明，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)用價值。

4 、結(jié)束語

本文提出一種用于機(jī)械零件加工模擬的計算仿真技術(shù)。通過圖像處理的方式，準(zhǔn)確模擬加工后零件的尺寸特征，在仿真過程中，采用邊緣擬合配合誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，運用最小二乘法完成復(fù)雜元器件的擬合過程，為了保證精度的要求，運用擬合誤差補(bǔ)償技術(shù)，最大程度的完成機(jī)械零件高精度加工模擬。計算機(jī)仿真實驗證明，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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