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复杂曲面原位检测方法与实验研究

王立成  
【摘要】:复杂曲面零件在航空航天、能源运输以及精密模具制造等领域广泛存在,提高复杂曲面零件制造的精度、效率和可靠性是制造技术不懈追求的目标。随着高精度数控机床、高精密测头技术、超强数据计算和传输技术以及功能强大的软件算法的开发和应用,将零件检测集成在数控加工过程中,实现复杂曲面零件的原位检测不但成为一种可能,更是提高复杂曲面零件制造精度和效率的有效手段。本学位论文针对原位检测系统的精度评估和曲面检测方法进行了理论和实验研究,并将原位检技术与曲面加工工艺相结合,建立了曲面加工-测量一体化实验系统。 本学位论文将五轴机床拓扑结构等效成多体系统,建立了基于指数积公式的五轴机床空间几何误差模型。该模型不但可以反映机床各轴误差到机床末端的误差传递规律,也可以通过测量机床末端位姿,求解机床各轴的误差值,进行机床误差补偿。同时,通过激光干涉仪进行了机床空间几何误差的检测实验,验证了所提出的模型。 在分析了原位检测系统中触发式测头误差来源的基础上,提出了自动调整测头偏心的方法,并用标定球对测头的实际作用半径进行校准。同时,面向实际测量任务,提出了基于原位标定技术的测头半径补偿方法,通过双线性插值技术实现了测量对象表面法矢信息的离散,建立了实际测量点和标定曲面之间的映射关系,实现了逐点测头半径补偿。经过实验验证,文中提出的逐点半径补偿方法比软件提供的半径补偿方法更接近测量真值,提高了测量结果的准确性。 为了保证原位检测结果能准确反映被测对象的真实情况,需要考虑检测仪器和检测方法对测量结果不确定度的影响。为此,建立了基于蒙特卡洛法的虚拟机模型,并在综合考虑机床和测头误差分布的情况下,分别应用多次测量法和蒙特卡洛模拟法进行了面向原位检测任务的不确定度评估。同时针对曲面形状误差评估的最小二乘和最小区域准则,应用虚拟机技术进行了评估实验。 为了综合接触式测量精度高和激光测量效率高的特点,采用接触式测头和激光测头进行了原位组合测量,并提出了高、低精度点云数据融合的方法,该方法通过点云匹配、点云分块和点云精简优化三个步骤完成了低精度点云数据的修正和精简,仿真结果表明融合后的点云能更准确地描述被测曲面的信息。接着,应用距离函数的方法对测量点云进行曲面寻位,并基于蒙特卡洛模拟方法对寻位算法的特性进行了分析,最后,对于给定的实际测量数据,给出了基于自助法的寻位算法的不确定度评估。 应用本文提出的方法,实现了原位检测技术和加工过程的集成。针对毛坯定位、余量均匀、工件重定位以及补偿加工等工艺问题,应用原位检测技术实现了加工-测量-补加工的曲面制造流程,并将文中的分析计算方法集成到原位检测系统软件包中,通过实例说明原位检测技术是实现加工-测量一体化的有效手段。


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