【摘要】：葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、透平機(jī)械、大型螺旋槳等動(dòng)力設(shè)備的重要構(gòu)件,其設(shè)計(jì)制造質(zhì)量決定了動(dòng)力設(shè)備的整體工作性能。葉片面形多為變截面、扭曲度高的自由曲面,設(shè)計(jì)制造難度大。葉片進(jìn)行機(jī)械加工后,通過磨削拋光工序修整其表面質(zhì)量,而現(xiàn)有磨拋加工過程與測量過程分離,難以實(shí)現(xiàn)葉片高效高質(zhì)量的光整加工。針對上述問題,研究葉片自由曲面測量理論,結(jié)合葉片磨拋加工設(shè)備,研發(fā)原位測量系統(tǒng),對提升葉片精整加工的效率和精度具有重要應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合自主研發(fā)的葉片磨拋加工機(jī)床和已有檢測技術(shù),建立非接觸式原位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)將測量過程帶入葉片的加工過程,在不改變?nèi)~片裝夾位置的情況下,完成對葉片型面數(shù)據(jù)的采集,減少定位誤差。提出密集點(diǎn)法、特征點(diǎn)法和極坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法三種原位測量方案,以適應(yīng)不同加工階段對效率和精度的要求。開發(fā)控制軟件,設(shè)計(jì)界面程序,實(shí)現(xiàn)對葉片零件的自動(dòng)化測量。對葉片型面進(jìn)行逐點(diǎn)測量涉及測點(diǎn)規(guī)劃問題,測點(diǎn)分布對于測量速度、匹配及測量精度都有很重要的影響。研究了兩種基于曲面的測點(diǎn)自適應(yīng)規(guī)劃算法—質(zhì)心系法和矩形細(xì)分法。質(zhì)心系法應(yīng)用質(zhì)心平衡原理,將各點(diǎn)的曲率指標(biāo)類比于質(zhì)量,通過不斷迭代確定測點(diǎn)位置;矩形細(xì)分法通過設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)局部的以平面代替曲面。改進(jìn)算法使其適用于無解析式的自由曲面,對葉片型面進(jìn)行測點(diǎn)規(guī)劃仿真分析,為兼顧精度和效率的特征點(diǎn)測量法奠定基礎(chǔ)。分析原位測量系統(tǒng)的誤差影響因素,結(jié)果表明,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)誤差、工件表面顏色、PLS的非線性誤差和傾角誤差的影響較為顯著。研究測量系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部件的位姿關(guān)系,構(gòu)建測量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差模型,根據(jù)散射光場在空間分布的朗伯定律推導(dǎo)PLS傾角誤差模型,根據(jù)這兩項(xiàng)誤差模型提出誤差補(bǔ)償策略。開展原位測量實(shí)驗(yàn),實(shí)測對象為某航天器發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的葉背和葉盆表面。應(yīng)用高精度掃描儀獲取葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù),據(jù)此對待測面形進(jìn)行測點(diǎn)自適應(yīng)規(guī)劃。設(shè)計(jì)四組對比實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)保證測點(diǎn)數(shù)目相同,分別使用特征點(diǎn)法和等步長法進(jìn)行測量。將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值并反求成面,匹配葉片理論模型,比較不同測量方式的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,建立的原位測量系統(tǒng)性能良好,可以滿足葉片型面檢測的要求。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,同樣測量方式下,實(shí)測點(diǎn)數(shù)目越多,反求曲面的精度越高;而在同等測點(diǎn)數(shù)目下,使用特征點(diǎn)法測量的數(shù)據(jù)反求曲面精度更高,證明了基于測點(diǎn)自適應(yīng)規(guī)劃的特征點(diǎn)測量法的優(yōu)越性。
[Abstract]:Blade is an important component of aero-engine, turbine machinery, large propeller and other power equipment, its design and manufacture quality determines the overall performance of power equipment. The one-sided shape of the blade is mostly a free-form surface with variable cross section and high distortion, so it is difficult to design and manufacture. After machining, the surface quality of the blade is repaired by grinding and polishing process, but the existing grinding and polishing process is separated from the measuring process, so it is difficult to realize the high efficiency and high quality finishing of the blade. In view of the above problems, the theory of blade free-form surface measurement, combined with vane grinding and polishing equipment, and the development of in-situ measurement system have important application value in improving the efficiency and precision of blade finishing. A non-contact in situ measurement system was established by combining the developed blade grinding and polishing machine tool and existing testing technology. The system introduces the measurement process into the machining process of the blade, and completes the data collection of the blade profile without changing the clamping position of the blade, thus reducing the positioning error. In order to meet the requirements of efficiency and precision in different processing stages, three in-situ measurement schemes, i.e., dense point method, characteristic point method and polar coordinate rotation method, are proposed. Develop control software, design interface program, to achieve automatic measurement of blade parts. The point planning problem is involved in the point-by-point measurement of the blade profile, and the distribution of the measuring points has an important effect on the measuring speed, matching and measuring accuracy. Two adaptive programming algorithms for measuring points based on curved surface, the centroid system method and the rectangular subdivision method, are studied in this paper. The centroid system method uses the centroid balance principle to compare the curvature index of each point to the mass and determines the measuring point position by iteration. The rectangular subdivision method realizes the local replacement of the surface with a plane by setting a threshold. The improved algorithm makes it suitable for free-form surface without analytic expression. The point planning simulation analysis of blade profile is carried out, which lays a foundation for the feature point measurement method which takes account of both accuracy and efficiency. The error influencing factors of in-situ measurement system are analyzed. The results show that the error of moving platform, the nonlinear error of workpiece color pls and the error of inclination angle are more significant. In this paper, the position and pose relations of the moving components of the measurement system are studied, and the motion error model of the measurement system is constructed. According to the Lambert's law of the spatial distribution of scattered light field, the PLS inclination error model is deduced, and the error compensation strategy is proposed according to the two error models. An in situ measurement experiment was carried out to measure the blade back and the blade basin surface of a spacecraft engine blade. The point cloud data of the blade are obtained by using a high precision scanner, and the point adaptive planning is carried out according to the measured surface shape. Design four groups of comparative experiments, each group of experiments to ensure the same number of points, using the characteristic point method and equal step size method to measure. The measured data are interpolated and inversely calculated to match the blade theoretical model and compare the accuracy of different measurement methods. The experimental results show that the system has good performance and can meet the requirements of blade profile detection. The experimental results show that the higher the number of measured points, the higher the accuracy of the reverse surface, and the higher the accuracy of the reverse surface measured by the method of characteristic points is under the same number of measuring points. The advantages of feature point measurement based on adaptive programming are proved.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG580.6;TG806

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本文編號：2197522