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复杂曲面接触式在位测量系统研制与实验

吴玉琪  
【摘要】:近年来,随着全球经济以及现代制造技术的快速发展,人们对产品的外观、功能等方面要求越来越高,具有复杂曲面的产品不断增多,复杂曲面产品已广泛应用于航空、航天、汽车、家用电器、生物医学、光学、模具等领域。复杂曲面的设计和制造均离不开复杂曲面的测量,现阶段复杂曲面的测量方式主要是离线测量,离线测量虽然比较成熟且测量精度较高,但是在多次迭代逼近的复杂曲面加工中离线测量需要多次装夹和定位,会引入装夹误差,不利于工件的确定区域面形修正和精度提高,还会降低加工与测量效率,从而难以满足复杂曲面的高效高精度加工要求,而在位测量是目前较好的解决途径。本文结合自主研发的精密抛光系统,基于接触式在位测量原理,搭建了复杂曲面接触式在位测量硬件系统。利用VB6.0开发了Windows平台下的接触式在位测量系统运动控制与数据采集软件,测量系统软件由XYZ三轴运动平台控制模块、测头控制与数据采集模块、原点定位模块、曲线测量模块、矩形区域测量模块、圆形区域测量模块和自动测量模块组成,七个模块互相配合,实现了XYZ运动平台的三轴联动控制、测头的测量与数据采集控制以及测量系统运动轴位置信息与测头数据的融合与集成,进而实现复杂曲面的自动测量。本文研究了在位测量系统原点定位误差和测头倾斜误差的影响因素,建立了原点定位误差和测头倾斜误差的数学模型,利用MATLAB对原点定位误差和测头倾斜误差进行了仿真分析,通过标准球面测量实验验证了原点定位误差数学模型的正确性。本文研究了复杂曲面测量轨迹规划方法,利用MATLAB开发了曲率差值法测量轨迹规划软件和直线夹角法测量轨迹规划软件。对曲线曲面测量数据处理方法进行了研究,利用MATLAB开发了基于最小二乘拟合法的曲线曲面数据处理软件。对圆柱形凸面与圆柱形凹面的表面轮廓曲线进行了测量,利用开发的曲线数据处理软件对测量数据进行了曲线拟合和半径补偿,与Taylor Hobson PGI1240的测量结果进行了对比,验证了测量系统的测量精度;对离轴抛物面进行了面形测量,利用开发的曲面数据处理软件对测量数据进行了曲面拟合和半径补偿,得到了离轴抛物面的面形数据,验证了测量系统的有效性。理论分析与实验研究结果表明,本文研制的复杂曲面接触式在位测量系统,测量精度可以达到微米级别,能够实现复杂曲面的自动化测量,满足在位测量的要求。


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