【摘要】：在運(yùn)載火箭中含有大量的薄壁殼段部件,其壁厚過(guò)薄會(huì)降低火箭主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,過(guò)厚則會(huì)降低火箭的有效載荷。為了保證殼段的加工質(zhì)量,需要對(duì)其厚度的三維分布進(jìn)行測(cè)量。但是,在現(xiàn)有的殼段厚度測(cè)量方法中,以激光三角法為代表的線下測(cè)量方式不利于壁厚超差部位的定位和修復(fù),以超聲波為代表的在位測(cè)量方法因逐點(diǎn)接觸測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)而存在測(cè)量效率較低的問(wèn)題。因此,對(duì)殼段厚度在位激光三角測(cè)量方法的研究具有一定的必要性和必然性。本文提出的殼段厚度測(cè)量方法的核心是將固定有兩個(gè)激光位移傳感器的夾具裝卡于銑床主軸上,借助于銑床的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)被測(cè)件厚度三維分布的連續(xù)測(cè)量。顯然,待測(cè)件表面形貌的多樣性及其安裝位置的隨機(jī)性,限制了傳感器測(cè)量線方向的準(zhǔn)確性,成為制約殼段厚度在位測(cè)量精度的主要因素。因此,本文的研究工作圍繞提高圓筒狀殼段厚度在位測(cè)量精度這一主題展開(kāi),從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚�(gè)方面對(duì)涉及到的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討,具體內(nèi)容如下:建立了基于兩個(gè)激光位移傳感器的殼段厚度在位測(cè)量幾何模型,分析了在位測(cè)量過(guò)程中被測(cè)件、傳感器等部件安裝誤差對(duì)厚度測(cè)量結(jié)果的影響;基于復(fù)雜物面的激光散射理論,建立了考慮物體表面幾何特性的激光傳感器位移測(cè)量誤差模型,分析了傾斜角、曲率等參數(shù)對(duì)單個(gè)傳感器以及圓筒狀殼段厚度測(cè)量結(jié)果的影響。分析結(jié)果表明,對(duì)于在待測(cè)殼段內(nèi)外兩側(cè)對(duì)稱布置的傳感器而言,由傾斜角、表面曲率等物面幾何特性引起的傳感器原理性誤差能夠相互補(bǔ)償或者基本忽略,而兩個(gè)激光傳感器及其與銑床、被測(cè)件之間位置關(guān)系的準(zhǔn)確性是決定厚度測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。針對(duì)在位測(cè)量中各部件相對(duì)位姿的準(zhǔn)確性與厚度的測(cè)量精度之間相互制約的問(wèn)題,構(gòu)建了一種雙偏置參數(shù)圓筒狀殼段壁厚測(cè)量模型。借助于基于相關(guān)理論的相位差計(jì)算方法、差分算法實(shí)現(xiàn)了模型中待測(cè)件安裝偏心距和傳感器測(cè)量線偏移量參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì),進(jìn)而從兩個(gè)激光位移傳感器測(cè)量值中提取出對(duì)應(yīng)的厚度值。利用蒙特卡洛法對(duì)該方法的測(cè)量不確定度進(jìn)行了分析,仿真結(jié)果表明該模型能夠提高殼段厚度的在位測(cè)量精度。針對(duì)雙位移傳感器測(cè)厚中對(duì)射激光束共線調(diào)節(jié)這一共性核心問(wèn)題,提出了一種基于雙分光棱鏡的激光束空間視覺(jué)定位方法,建立了四個(gè)光斑圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)與兩個(gè)傳感器測(cè)量線相對(duì)姿態(tài)間的數(shù)學(xué)模型。結(jié)合拉格朗日非線性分解理論,根據(jù)最小類間方差目標(biāo)函數(shù)對(duì)圖像直方圖進(jìn)行迭代分解,以實(shí)現(xiàn)圖像光斑區(qū)域最優(yōu)邊界對(duì)應(yīng)分割閾值的快速提取,進(jìn)而提高激光光斑中心的擬合精度。對(duì)激光束共線檢測(cè)方法的誤差進(jìn)行了分析,與殼段厚度測(cè)量中傳感器共線性允差的對(duì)比表明該方法滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)未知噪聲頻率信息條件下殼段厚度連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的去噪問(wèn)題,提出了一種基于模態(tài)分解算法的改進(jìn)自適應(yīng)濾波方法。對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、變分模態(tài)分解算法進(jìn)行了改進(jìn)及性能分析,并聯(lián)合上述兩種方法將厚度數(shù)據(jù)分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)。然后,提出了固有模態(tài)函數(shù)瞬時(shí)能量概率的概念,結(jié)合離散Hellinger概率分布距離理論判斷固有模態(tài)之間的信噪分界點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的重構(gòu)及濾波處理。對(duì)殼段厚度數(shù)據(jù)的仿真和實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果表明,在無(wú)需選擇基函數(shù)、分解層數(shù)的前提下,所提方法的去噪性能優(yōu)于現(xiàn)有小波濾波方法。最后,對(duì)本文中提出的激光束共線檢測(cè)方法、基于雙激光位移傳感器的殼段厚度在位測(cè)量方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,搭建了相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái),通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量塊、待測(cè)件安裝偏心距的測(cè)量分別驗(yàn)證了所提方法的有效性。
【圖文】：

圖 1-1 運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-1 Schematic diagram of launch vehicle工件作為一種弱剛性鋁合金零部件，，其在平板折彎、銑會(huì)帶來(lái)毫米級(jí)的變形量，使得保證殼段的加工質(zhì)量成為要在粗、精加工的各個(gè)階段對(duì)其厚度進(jìn)行多次重復(fù)檢

(a) 單探頭反射式 (b) 雙探頭反射式 (c) 雙探頭斜射式 (d) 雙探頭透射(a) Single-probe (b) Double-probe (c) Double-probe (d) Double-proreflection type reflection type oblique incidence type transmission 圖 1-2 超聲波測(cè)量厚度的基本模型Fig.1-2 Basic model of ultrasonic thickness measurement method理想狀態(tài)下，基于脈沖反射的殼段厚度測(cè)量原理如圖 1-3（a）所示。其
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212;V475.1;V414

【參考文獻(xiàn)】

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