發(fā)布時(shí)間：2020-09-11 14:29

　　 葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的零件,起氣流導(dǎo)向和能量轉(zhuǎn)換的作用,其形狀相對(duì)于設(shè)計(jì)模型的偏差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率有顯著影響。因此,葉片的加工必須滿足嚴(yán)格的公差要求,需通過測(cè)量來評(píng)定其加工質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求。由于葉身型面是一種復(fù)雜的自由曲面,其檢驗(yàn)可以轉(zhuǎn)化為型線的測(cè)量和評(píng)定,而現(xiàn)有方法難以有效兼顧測(cè)量的精度、效率和完整性。針對(duì)以上問題,本文設(shè)計(jì)了基于色散共焦傳感器的航空葉片型線測(cè)量系統(tǒng)。(1)針對(duì)航空葉片截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的問題,以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為基礎(chǔ),配合精密轉(zhuǎn)臺(tái)和非接觸式色散共焦位移傳感器,構(gòu)建了四自由度葉片型線測(cè)量平臺(tái)。根據(jù)葉片榫頭和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu),分別設(shè)計(jì)了葉片夾具和色散探頭夾具;并使用分區(qū)掃描的方案對(duì)葉片進(jìn)行多視角測(cè)量,以獲得葉身多截面輪廓線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。(2)針對(duì)多視角點(diǎn)云所在坐標(biāo)系不同的問題,使用回轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系的統(tǒng)一。首先,提出了一種標(biāo)定色散探頭位姿的方案,并使用混合懲罰函數(shù)法進(jìn)行求解;其次,標(biāo)定了旋轉(zhuǎn)軸和工件坐標(biāo)系;最后,分析了系統(tǒng)的三維測(cè)量原理并建立坐標(biāo)變換模型,將多視點(diǎn)云統(tǒng)一到工件坐標(biāo)系下。(3)由于轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度相對(duì)較低,使用回轉(zhuǎn)法將多視點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系后,存在點(diǎn)云分叉的現(xiàn)象。針對(duì)該問題,提出了一種基于重疊點(diǎn)云配準(zhǔn)和迭代最近點(diǎn)算法的二次精準(zhǔn)拼接方法。首先,基于曲線檢查法和統(tǒng)計(jì)濾波算法進(jìn)行去噪;其次,通過NURBS曲線擬合增采樣;接著,迭代地計(jì)算相鄰兩段點(diǎn)云的重疊部分,并通過ICP算法對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn)以得到變換矩陣,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)云的精準(zhǔn)拼接;最后,使用極角法實(shí)現(xiàn)了截面點(diǎn)云的排序。(4)針對(duì)葉片截面點(diǎn)云分割和特征參數(shù)提取,提出了基于曲率特征和RANSAC原理的前后緣點(diǎn)云分割方法、特征參數(shù)提取算法。首先,根據(jù)截面點(diǎn)云的曲率粗略地分割出前后緣點(diǎn)云,再根據(jù)RANSAC原理實(shí)現(xiàn)前緣點(diǎn)云和后緣點(diǎn)云的準(zhǔn)確分割,并對(duì)前后緣參數(shù)進(jìn)行提取;接著,研究了弦線參數(shù)的提取,并利用弦線方程實(shí)現(xiàn)了葉盆點(diǎn)云和葉背點(diǎn)云的劃分;最后,使用等半徑法提取中弧線,并計(jì)算最大厚度。搭建基于測(cè)量方案的系統(tǒng),進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定與航空葉片型線測(cè)量實(shí)驗(yàn),并與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)表明測(cè)量系統(tǒng)的示值誤差小于15μm。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V263.1;TP212
【部分圖文】：

它是一種相當(dāng)復(fù)雜的精密機(jī)械，如圖 1-1 所示，其設(shè)計(jì)與制造水平直接影響飛機(jī)的安全、性能及壽命。圖1-1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵、數(shù)量最多的零件之一，長期工作于高溫、高壓、高載荷的惡劣環(huán)境下，該類零件起氣流導(dǎo)向和能量轉(zhuǎn)換的作用，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要地位使其必須滿足極高的要求，從而給葉片設(shè)計(jì)、葉片材料和葉片制造等領(lǐng)域提出了重大的挑戰(zhàn)。其中，葉片的高精度、高效率測(cè)量是葉片大批量制造的基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)上，航空葉片通常包括葉根、緣板和葉身三部分[2]，如圖 1-2 所示。葉片

來評(píng)定其加工質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求。葉身型面的測(cè)量是葉片測(cè)量的難點(diǎn)之一，其檢驗(yàn)可以轉(zhuǎn)化為型線的測(cè)量和評(píng)定。圖1-2 航空葉片通過調(diào)研，了解到國內(nèi)某大型航空葉片生產(chǎn)商使用標(biāo)準(zhǔn)樣板法和三坐標(biāo)測(cè)量法檢測(cè)葉片，通常測(cè)量 4-8 個(gè)不同高度的葉身截面。標(biāo)準(zhǔn)樣板法操作簡(jiǎn)單、測(cè)量效率高，但該方法屬于定性檢測(cè)，依賴工人的主觀判斷和熟練程度，精度通常為 0.1mm-0.5mm；三坐標(biāo)測(cè)量法的精度可以達(dá)到 1μm-3μm，但觸發(fā)式掃描的效率很低，難以有效測(cè)量葉身的微小凹坑等，且儀器成本高。目前，航空葉片的測(cè)量存在以下挑戰(zhàn)[1, 3, 4]：（1） 測(cè)量精度要求高：高精度測(cè)量是高精度制造的基礎(chǔ)，而制造精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有顯著影響。（2） 測(cè)量效率要求高：一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部有大量葉片

工人的主觀判斷及熟練程度，測(cè)量精度和可靠性很低，通常只能達(dá)到 0.1mm-0.5mm；每種型號(hào)的葉片需要制作多套樣板，檢測(cè)成本高，人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度大。圖1-3 標(biāo)準(zhǔn)樣板法電感測(cè)量法[7]的基本原理如下：使用一組電感傳感器分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)葉片和待測(cè)葉片上位于同一高度的截面輪廓線，根據(jù)前后兩組測(cè)量結(jié)果的偏差量來計(jì)算葉型誤差、葉型彎扭等多項(xiàng)參數(shù)，如圖 1-4 所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，通�？梢赃_(dá)到20μm-40μm，且操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是作為一種相對(duì)測(cè)量方法，測(cè)量不同型號(hào)的葉片時(shí)需要準(zhǔn)備相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)葉片和用于裝夾定位的機(jī)械系統(tǒng)，測(cè)量周期長，不利于葉片加工和

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