（机械制造及其自动化专业论文）薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划.pdf

大连理工大学顼壬举倪论文 摘要 薄爨弱转髂是毫逮飞移嚣蕤关键部箨，裹缝辘蹇速飞霉器对薄壁蕤转薅夔裁造穗发 有着严格豹要求。对薄壁豳转俸的乡 瘁形、鐾簿镣几何参数进行精密溯量是检验高速飞 行器制造精度的有效手段。簿艇回转体是三维复杂曲面的薄壁零件，由于孔深径小，结 构大且复杂，对几何参数的测爨精度要求高( 微米级) 。目前尚无现成的测量设备和测 量技术能在测量精度和效率上满足高性能薄壁回转体的研制需求，因此必须研发高精 度、毒效鬻憨全皇动薄壁霞转体足鹰参数测量设锯。 本论文主要赞霹薄壁嚣转髂尼 毒参数捡溺设蠢豹溅量路径鬏麓、软凌囊翻懿数学方 法、测擞系统精度分析补偿及校准方法和测量轨迹规划的软件开发镩方面展开研究。 提出了薄壁回转体外廓测面和壁厚测量的路径规划方案。根据测摄采样和测量时间 的要求从几种路径规划方案中选择出一种最佳的测爨路径，从而达到了有序、快速、高 效地测黛辨臻表蘧上静各个燕酥点坐标及其法国髓辱的日静。 铮瓣终趁薄嚣量霉鬟豹数撵，嚣趸三蹬囊羹：线攘篷雾法谤算霉线援壤基坐蠢秘法鑫耋 等数据，构建出井癣形母线模熬方程。采用了释钳式测量头槊沿测淼切线方向等长煮 迹线运动测量薄壁回转体法向髓厚的方法，根据这种方法导出了测量逡动轨迹生成的算 法，并且将以往两工位上测爨改成一工位上测最，这种改进减少了由变化工位所带来的 位置误麓，简化7 工序，提高了精度。 在数攮处理方垂，研究瓣始溺量数据孛惫舅蠡兹副狳、数撵懿裁凝与延挺方法秘 数据豹皴纯处理方法，孵浃了灏量数据中存强静噪声、测量数据不筠匀、边赛不整齐 等问题。 根据测鼍系统的精度要求，研究了一套测量系统精度分析补偿方法和校准方法。测 量系统糈度分析补偿方法主要研究伺服轴定位糙腱及回程间隙补偿、赢线轴二维精度补 缮以及测爨镌铰接点豹位鬟误差对几侮霉度测鬟耪发毂影响。几何测鬟设备校准方法懿 磅究圭簧镪括法囊壁厚溺蠢穰发豹校准方法鞠磐瘸形溺量孝骞疫懿校猴方法。 开发了几何参数测量轨迹规划的软件系统。使用v c + + 编程技术，实现了数据的预 处理，外廓数据的一致化处瑕，薄壁回转体外艨形的建模，几何厚度的轨迹生成，数控 测量代码的生成等功能。配鬣几何参数测量轨迹规划软件系统的薄壁阐转体几何尺寸检 测设备墨缀交纣使用，解抉了薄壁回转俸凡何参数精密测量的难题。 关键词：薄壁圄转体；凡何参数；糖密测量；一轨避规划；三次棒条 薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划 t r a j e c t o r yp l a n n i n go fg e o m e t r i c p a r a m e t e rp r e c i s i o n m e a s u r i n gf o r t h i n - w a l lr e v o l v i n gb o d y a b s t r a c t t h i n - w a l lr e v o l v i n gb o d yi sak e yp a r to fh i 曲币e c da e r o e r a t t 硪g h - r , e r f o r m a e ea n d l a i g h - s r ，e e da e r o e r a t l h a ss t r i c tr e q u i r e m e n t s0 1 1t h em a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o no ft h i n - w a l l 删、，i n gb o d y t h em 删e n t o i lo l l t e l s h a p ea n dt h i c k n e s so ft h et h i n w a l lr e v o l v i n g b o d yi s 缸e f f e c t i v em e t h o dt ov e r i f yt h em a n u f a c t u r ep r e c i s i o no ft h eh i l g h s p e e da e r o c r a f l t h i n - w a l lr e v o l v i n gb o d yi st h et h i n - w a l lp a r tw i t ht h r e e - d i m e m i o nc o m p l i c a t e ds u r f a c e i t s d i a m e t e ri nt h ec o r l eb o t t o mi sa b o u tat h i r do f i t sl e n g t h , i t sm e a s u r i n gp r e c i s i o n0 1 1g e o m e l r i e p a r a m e t e ri sa sh i g h8 sm i c r o n - g r a d e t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dm e a s u r i n gt e e l a n i q u ei n b e i n gc 蛆n o ts a t i s f y 趾a c c u r a t ea n df a s tm e a s l l l e m e n tf o rt h eg e o m e l z i ep a r a m e t e ro ft h e t h i n - w a um , o l v i n gb o d y a sar e s u l t , i ti s 埘x 爱；s a r ) rt o d e v e l o pa u t o m a t i cg e o m e l r i e p a t a m e t e l ：m e a s u r i n ge q u i p m e n tw i t hh i g hp r e c i s i o na n dh i e j ae t l i e i e n e yf o rt h i n - w a l l r e v o l v i n gb o d y t h i sp a p e rd o e sr e s e a r e l ao ns e v e r a la s r , e e t sa sf o l l o w s ：m e a s u r i n gi r a t l ap l a m i n e m a t h e m a d e a lm e t h o d so ft r a j e c t o r yp l a n n i n g ，t h ec o m p e n s a t i o no fm e a s u r i n gp r e c i s i o na n d c a l i b r a t i o nm e 】【b o d s s o 睦w a i ed e v e l o p m e n tr e s e a r e l a0 1 1t h em 嘲u r i n gt r a j e c t o r yp l a n n i n g , a n d s o o u t h i sp a p e rp r o v i d e sla t hp l a m i n gf o rm e a s u l 趣t h eo l i 怔ts h a p ea n dt h i c k n e s so f t h i n - w a l lr e v o l v i n gb o d y a c c o r d i n gt os a m p l i n g 衄dl i m eo f 咖e m e n t , 柚o p t i m a l m e a s u r i n gp a t hi ss e l e c t e df r o ms e v e r a lp a t hp l a n n i n g s ，s o t oa c h i e v et h eo r d e r l y ，r a p i da n d h i g h i ye f f i c i e n tm e a s u r e m e n t so i lt h ee o o r d i n a l e so ft h ep r a c t i c a lp o 砬o fo m 盯s u r f a c ea n d t h et l a i e k n e s s t h em o d e le q u a t i o n so f o u t e rc o n t o u rg e n e r a t r i x 啪c o n s t r u c t e db yt h eu s eo f t h i r d - o r d g , r c u r v ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m t h eh i n g e dp o i n to f t h e j a w - l i k em e a s u r i n ga r mm o v e sa l o n ga l o c u sf o r m e db yas e r i e so f p o i n t st h a ta r e0 1 3 as e r i e so f l i n e st a n g e n tt ot h e0 1 1 t e l c o n t o u rw i t h i d e n t i c a ld i s t a n c ef r o mt h et a n g e n tp o i n t s t h i sm e t h o de d u c e st h et r a j e c t o r y g e n e r a t i o n a l g o r i t h m s ，a n dt h ef i x i n gp o s i t i o n sc h a n g ef r o mt w op o s i t i o mt oo n ep o s i t i o i ls u c h i m p r o v e m e n tr e d u c e sp o s i t i o ne n o i b yt h ed 曲喀嚣o fp o s i t i o n , s i m p l i f i e st h ep r o c e s sa n d i m p r o v e st h ep r e c i s i o n i nt h ea s p e c to fd a t ap r o c e s s i n g , t h ee l i m i n a t i o no f b i z a r r ep o i n ti nm e a s u r i n gd a t a d a t a t n m c a t i o r la n de x p a a s i o n , a n dt h ec o n g r u o u sd i s p o s a lo fm e a s u r i n gd a t aa i ed e v e l o p e d ；t h e s e i i 大连理工大学硕士学位论文 m e t h o d s 血ds o l v et h ep r o b l e m s ，s u c h 鹤t h e 始s i i nm o o s u r i l l gd a t e ，m e s s u r i n gd a t ai s a s y r r l m e t r i ca n dt h e d a r yo f m e a s u r i n gd a t ai s 删d y a c c o r d i n gt ot h ep r e c i s i o no fm e a s u r e m 叫ts y s t e m , t h ep r e c i 妇c a l i b r a t i o na n d c o m p e n s a t i o nm e t h o d so fam e a s u r e m 钮ts y s t e m 矾b r o u g h t 如n a d ni n c l u d e st h e 鲥e n t a t i o np r e c m o no f 鼢v oa x 船，t h ep r e c i s i o n 酬u a t i o n0 ff e d 删c a t e 鲥跖枷o n ，t h e t 、m 西d i m e n s i o n a lp r e c i s i o nc o m p e n s a t i o no f b e e l i n e 瞄a n dt h ei n f l u e n c eo f t h ea c c u r a c yo f w a l lt h i c k n e s so nt h ep o s j ：t i o i l o ro fh i n g e dp o i n t t h ec a l i b r a t i o nm e t h o d so fg e o m e t r i c p m a m e t e rp r e c i s i m e a s m - i n ge q m p m e n ti n c l u d et h ec a l i b r a t i o nm e t h o do f t h et b i c h l e 路a n d o u t e rc 0 n t 0 u rm e a s u r e m 胁l 1 1 h e 昀j e c t o r yp l a n n i n g f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hv c + + n sc 叩驴s e db yd a t a p r 印c e s s i n g ，t h ec o n g r u o md i s p l o s a lo fm e a s u r i n gd a t a , m o i l i n go fo u t e = rc o m o i l r ，t h e 乜匈e c t o r yg e r a t i o no f g e o m e t r i ct h i c k n e s s ，c o d eg 蒯o n a n d g c o m e t r i cp a r a m e t e r m 氍困j l j 【n gm a c h i n eo f t h i n - w a l lr e v o l v i n gb o d yh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di np r a c d c ey e t , a n ds o t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e rp r e c i s i o nm e a s u r i n gp r o b l e m so ft h i n - w a ur e v o l v i n g b o d y 1 ( e ，w o r d s ：t h i n - w a l lr e v o l v i n gb o d y ； t r a j e c t o r yp l a n n i n g ；c u b i cs p l i n e - - i i i - - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名： 功妒矿o ，双一 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权堪 本学位论文作者及指导教沛究金了解“大连理工大学硕圭、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文翡复窜俘和邀子叛，允许论文被蹇阕孝氆溪。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或拯搓等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盘鲞垒 导师签名： 盟年上月芝日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1论文选题背景及国内外研究现状 1 1 1 薄壁回转体概述 薄壁回转体为高速飞行器的关键部件之一，位于高速飞行器的最前端。薄壁回转 体作为高速飞行器气动外形的一部分，一方面承受着飞行器高速飞行中与空气激烈摩擦 所产生巨大的气动热冲击和气动载荷作用，防止飞行器中电子设备不受外界环境的影 响；另一方面它对电子设备所发射和接收的电磁波应尽可能的透明，保证目标回波透过 薄壁回转体被接收装置接收的信息不失真，以使它对高速飞行器系统的影响降到最低。 因此，高性能高速飞行器对薄壁回转体的制造精度有着严格的要求。 图2 1 薄壁回转体示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a po f t h i n - w a l lr e v o l v i n gb o d y 可见，薄壁回转体是高速飞行器的关键部件，其性能的提高是高速飞行器研制中 的一个重要课题。在制造薄壁回转体时，除了对材料的透波性、耐热性、机械强度要求 较高外，对材料介电常数的一致性和壁厚误差要求也极为严格。薄壁回转体的电性能受 介电常数和壁厚两个关键因素的制约，介电常数不一致和壁厚误差均会引起薄壁回转体 的电性能下降，严重时导致高速飞行器飞行失稳。因此，提高材料的一致性，减小壁厚 误差是提高薄壁回转体电性能，降低薄壁回转体对高速飞行器系统不利影响的一个必要 措施。 薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划 1 1 2 论文选题背景 薄壁回转体是三维复杂曲面的薄壁零件，外形似鼻锥形的抛物面，长度为一米左右， 其大端直径约为长度的三分之一，由于孔深径小、结构大且复杂，目前尚无现成的检测 仪器能对其进行准确的测量，因而极大地制约了薄壁回转体制造精度的提高，影响了高 速飞行器的研制进程和效果。该类零件的几何参数主要包括廓形及壁厚，且往往壁厚测 量精度比廓形的测量精度要求要高，达微米级，如果采用测量内外廓形后间接求得壁厚 的常规做法，则对内外廓形的测量精度要求极高，而内廓形的测量由于孔深径小( 深径 比达三以上) ，显而易见具有极大的难度和不经济性，而且薄壁回转体外廓形和壁厚的 测量精度要求相差甚远，要在一台测量仪器上完成其几何量测量的难度也是极大的，常 规的三坐标测量方案无论是测量范围还是测量精度方面都面临很大困难。因此寻求一种 既可实现高精度壁厚测量，又可满足廓形测量要求的几何量测量的创新原理、方法和技 术。显得十分迫切。本论文的研究内容就是在这一背景下提出的。 1 1 3 国内外研究概况 美国在薄壁回转体技术研究方面开展的比较早。在材料研究方面，开发了微晶玻璃 和石英陶瓷等复合材料。在薄壁回转体电气性能分析的理论研究方面，dcfw u 和rc r u d d u c k t l j 提出了薄壁回转体电性能分析的平面波谱表面积分法，h u d d l e s t o ngk 等则提出了射线跟踪法1 2 , 3 ，芬兰赫尔辛基理工大学研究了薄壁回转体外壁上露水层 ( d e w ) 的形成对薄壁回转体性能的影响【4 】。在几何测量方面，美国专利坐标测量 及监测方法与仪器 5 1 公开了一种串联机构坐标测量机，测量精度极高，几乎达到了串联 机构坐标测量机测量精度的极限。近年来，国际上以并联机构学为理论基础的并联机构 坐标测量机，由于测量精度高，测头位姿灵活，同时又具有“硬件”简单，“软件”复 杂的特点，正在成为坐标测量机的应用热点。另外，俄罗斯薄壁回转体技术的研究发展 方面也有独到之处，无论在基础理论方面，还是在制造工艺及测试和实验方面均有很大 的进展【6 1 。 国际上关于高速飞行器透波构件的设计理论与制造技术的研究属于最前沿、最尖端 的技术范畴，由于该领域的先进性，各发达国家一直对关键技术严格保密，近2 0 年来 公开发表的研究资料十分有限，因此必须也只能走独立自主的研究开发道路。 我国从5 0 年代开始研制薄壁回转体。一方面仿制前苏联的薄壁回转体，另一方面参 照国外的发展情况进行自我的研制。并且取得了可喜的成绩。1 9 6 1 年，有关单位、有关 专业的专家和科技人员，开始研制我国的第一个高速飞行器薄壁回转体及其配套装置。 大连瑾工大学硕士攀佼论文 我们已能够独立自主的设计和制造各类薄壁回转体，并有薄壁回转体的专业生产厂家和 研究所。熙具备了一定的薄熬瞬转体设计水平，燕戏经验和生产能力。 在簿藏圄转体凡俺铡童秀嚣，重内现有豹测黧方法主要毒三坐糠测量壤、走学三坐 标测量技术等。跨象滨工照犬学正在进行三坐稼测囊杭方瑟魏研究嬲，并对坐标测量飘 的新发殿并联运动机构嫩标测量机进行了总结。清华大学、哈尔滨工业大学、长春 光学精密机械学院等单位也猩进行光电三坐标测擞方法及应用系统的研究，长春光学精 密机械学蒯8 】利用激光狭缝掴椭原理和光电传感技术。提出了一种用于颡4 量大型回转体 类零件蹒嶷误差的激光扫描 接触测量方法和测爨系统。清华大学研究了集激走动态爨 准技零、激毙于涉溅耋法、按露l 技术及精密致嚣技零戆移魂嚣振动态a 舞参数藏量豹激 光罪踪系统。哈尔滨工业大学应用激光跟踪仪，开发了大尺寸工件几何参数测量的专用 测量系统。 从豳内发展的形势来看，薄壁回转体厚度的测最大多采用间接式。由于薄壁回转体 形状的特殊性，采用问接式测爨有着难以克服的缺点。首先是采用光举秘超声波方法测 量对，瓣麓辩懿缘玺一致瞧簧浆院较寒，毒| 辩鞘微蠢不蟓匀瑗象裁会豢寒辕对滋较大夔 误差。褥簿壁回转体一般是由瀚瓷玻璃或者纾维材料制成，难免会誊不均匀现象出现， 在这种情况下，采用激光或者期声波测量方法就很容易带来比较大的误差。其次是采用 三坐标测最机，由于三坐标测徽机的工作原理，必须先进行内外轮廓的三坐标测量，然 后根据拟食算法进行内外轮廓的曲面拟合，最后在进行内外曲面的做麓计算来求得薄壁 霹转俸爨蓐。在这个过程孛，耱应会弓l 入测塞谖麓、羧合误差、诗雾镤羞馥舍入误差。 在一觳德凝下，这些误差在麓程上是可荻接受豹，德是在薄壁回转体麓厚测量孛高耪发 的要求时，就很难满足测量纂求。 本课题组在1 9 9 9 年曾经成功研制过一台薄壁网转体几何测量设备 9 1 1 1 0 】。该设备采用 步进电机凝动，双工位测量。其外轮廓测量原理为接触式测头持续测髓，壁厚采用等迹 线方法测爨。该设备成功的采照了壹接法对薄璧鞠转体壁簿进行测豢，势对测量方法串 请7 嚣容专弱。餐是该竣各述露在一定获熹戆。 首先怒该设备两轴都采用步进电机驱动，虽然可以完成预定轨逃运动，但是运动过 程平稳性较差，对测量精度宵一定影响： 其次该设备采用双工位测爨，既外轮廓测量与照厚测量分开测量，带入了定位误差： 第三t 该设备在壁厚测爨黠，旋转轴旋转为筝动旋转，效率低，糖度低。 第翳，滠奏系统嚣露瑾论瘸形上各轰豹坐蠡缓鞫该熹瓣萃短法必来袋曩秀霉疫豹嚣 量辘迹不耩确，对凡何厚爱掰对应外廓形上点的傲嚣精度影响很大。 第碱，原有系统在外廓形测量和壁厚测量时没有采用精确的校准方法。 一3 一 薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划 本课题中几何测量设备，是在了解了国内外薄壁回转体几何测量情况，并吸取了前 人的优点，摒弃其缺点，并结合先进测量技术的情况下研制的。 1 2 薄壁回转体几何参数测量技术介绍及比较 1 2 1 几何厚度的直接测量法 几何厚度的测量可以采用直接测量法。传统的几何厚度测量主要采用接触测量的方 法，如使用卡钳、千分尺等。近年来，几何厚度非接触的测量方法有了迅速的发展，其 中比较典型的是电磁波测厚法和超声波测厚法。电磁波测厚法的基本原理是根据电磁波 反射、透射、散射、干涉及多普勒效应等物理特性的改变来实现的，又主要分为透射法 和反射法两种。 对超声波测厚法的研究有代表性的是通用电气公司的子公司p a n a m e t r i c s 公司，该 公司使用他们的专利技术超声波测量技术，研制成功了一种先进的超声波测厚仪 1 1 1 , 1 2 。由于超声波测厚仪要校准超声波在被测物质中的传播速度，当被测介质不均匀时 对测量精度会有影响。 1 2 2 几何厚度的间接测量法 在机械和制造工程中，几何参数测量的传统方法是采用三坐标测量机( c m m ) ，即最 好的通用仪器。三坐标测量机是集机械学、电子学、电子计算机为一体的高精度仪器， 主要用于精密零件的几何量测量。在测量方式上大体有接触式测量和非接触式测量两种 方法【1 3 , 1 4 ，从上世纪8 0 年代开始，基于非接触测量方法的激光扫描探头逐渐在c m m 上使用，代替接触式探头，从而大大增加了c m m 测量几何量的适应面和柔性【l 卯。除了 非接触测量技术外，c m m 为了适应测量仪器向精密化、集成化、智能化的发展趋势， 还实现了如下的技术进步：1 ) 误差自补偿技术i2 ) 丰富的软件技术；3 ) 系统集成应用技 术【1 6 ，1 7 】。 光学三坐标测量机法：光学三坐标测量机主要采用激光干涉和光电耦合的原理，使 用激光扫描或激光跟踪等设备，实现对静态或动态的几何参数测量。日本在这方面的技 术研究比较早，其中代表性的人物有t a k a s h im 、k a n j im 、t a k u t a 及o n a k a m u r a 等。 t a k a s h im 研究了注塑三维形状测量技术以及三维曲面的数字化测量方法，t a k a s h i 在光 电接收器中使用了环形光电图像传感器1 1 8 , 1 9 。v a n j im 在t a k a s h im 的基础上进行了更 深入的研究，对光学部分进行了改进，并开发了相应的测量仪器【2 0 j 。t a k u t a 在三维形 状激光扫描测量中使用自动聚焦技术【2 1 捌。o n a k a m u r a 在坐标测量系统中采用了激光 一4 一 夫连理工大学硕士警霞论文 跟踪设备激光干涉仪网，w a l t e rz u r d h 盯和r a i m u n dl o $ 盯对激光干涉仪的反射计进 行了改进踟。 扶空阕援魏学酶角度如发，霹将坐标测量瓤努秀串联撬拷坐弦溅爨戮窝莠联视秘垒 标溺耋辘两丈类。经过豹箩笨盼发震，串联秘麓坐标测量辊在设话、翻造、叁动纯等 方面已缀达到了很高水平，游想再提高己十分豳雅。美国专利坐标测量及检测方法 与仪器公汗了一种串联机构搬标测量机，几乎达剡了串联机构坐标测缀机测量精度的极 限。近年来，以并联机构学为爨论基础的并联机构搬标测量机，由予测罴精度高，测头 位姿灵溪，同时又具有“硬僚”篱单，“软件”复杂的特点，正在威隽坐标测量枫薪静 应霉热煮。跨尔滨工堑大学溅在进行这方瑟戆戮究，莠黠坐标嚣量瓿静额发震莠联 运动机构嫩标测量机进行了总结。 虚拟仪器法：虚拟仪器技术应用最广泛的是使用基于美国n a t i o n a l 觚栅m 即t 公 司的l a b v i e w 平台的测量系统网。虚拟仪器方法大多适用于对多路横拟或，和数字信号 进行采集，测量目标经鬻变动，如人在人工气象熬审，对穿着舒适饿溅魔、湿度和压力 等售号豹溅璧。嚣置，一黢寒滋，痉菝纹器方法零黪秀嚣量装墨摄爨笈杂熬整裁解决方 案。在机械工程中，虚拟仪器方法对几何参数豹测爨并不是有效豹，梵其对于这类大型 薄壁回转体复杂零件几何厚度的测量。 1 2 3 几何厚度各测量方法的分析比较 童接颖l 譬法中采用超声波溅厚法时，由予越声波耀厚仪要校准超声波在被测奔质孛 茨簧撵瀵废，蔹溺分震不鹭露经对测量精度会蠢缀大影翡；采用毫磁液溅霉法霹，效灏 介质材料特性是对电磁波反掰和透射界面的清蹄 魔有影响闭。千分尺警工测厚法是直接 测量几何脬度的传统方法，采用千分尺测厚法营接测量薄壁回转体几何厚度时，由于薄 壁回转体结构尺寸的特殊性( 深径比大) ，测量工具受到限制，只能测锻接近薄壁回转 体端口处的罩壁厚度，丽其余大部分位置的厚度凭法测量：此外，予分尺测厚最大的困 难是鼹滚拽至援溅熹静法线方囱，只藐簸最奎读数襞诗，矮难象涯澎灏嚣豹法线方自测 量厚度，测量精度和效率郝锻低。因此，上述壹援铡量凡蔼厚痘的方法难以达到薄壁回 转体几何厚度的测量要求。 间接测量法是通过设计专用工装，将薄壁回转体安装于测量仪的疋作台上，先测量 薄壁回转体的内、外廓形，然聪根据内、外廓形的测量数据，间接求得几何厚度。但是， 由于薄熬麓转俸形状特殊，必寸较大，在一次安装条传下测量内、乡 纛形弯困难；瑟襞 使趸籍豫鞭佟的翅长惫 串浏豢籽在一次安装条襻下能够测量蠹、羚黼彩，据瑟求褥死傍 - 5 一 薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划 厚度，也很难达到较高的测量精度要求；此外，还必须介入三坐标测量仪原有的测量系 统，会产生许多新的技术问题田j 。 由以上分析可知，现有的测量方法和通用精密测量仪器难以满足薄壁回转体几何厚 度和外廓形的测量要求，为此，必须寻求新的测量原理和方法，采用薄壁回转体几何参 数的专用精密测量系统。 1 3 课题研究的意义及主要内容 薄壁回转体作为高速飞行器的一个关键部件，系三维复杂薄壁回转体，飞行时承受 着巨大的气动冲击和气动载荷作用，它的外形和壁厚是控制其质量的重要几何参数，严 重影响着高速飞行器的性能质量。对于薄壁回转体几何参数的测量，由于目前国内外同 类测量的技术中未报道有专门测量仪器的技术，严重影响着薄壁回转体的制造质量，己 成为制约高速飞行器研制生产的关键。为了大幅度提高和检验薄壁回转体半成品和成品 的制造质量，必须解决薄壁回转体几何厚度及外廓形测量难题，研究相应的测量原理、 测量技术及研制相应的测试仪器，以解决薄壁回转体重要几何参数的检测问题。 薄壁回转体结构上的复杂性，使得其几何测量十分困难。如果采用三坐标测量仪测 量薄壁回转体的几何参数，其壁厚的测量必须采用间接测量法，即分别测出内外廓形， 然后计算出几何厚度。但由于其内轮廓径小孔深，现有的所有通用三坐标测量仪，在一 次安装条件下都很难实现对其内廓形的精确测量，而仅能测量其外轮廓，如使用特殊制 作的加长悬伸测量杆来测内外轮廓，据此求得几何厚度，也因中间转换环节多，使最终 获得的测量精度难以达到要求。可见，要使薄壁回转体的壁厚测量达到很高的精度要求， 需要找到直接测厚的方法及解决办法。为此，国内对几何厚度，往往选用大型卡钳人工 局部抽检替代，这样精度实际无法保证。如果采用超声波测厚法，由于超声波测厚仪要 校准超声波在被测物质中的传播速度，当被测介质不均匀时对测量精度会有很大影响。 生产部门曾经试验采用电磁波的先进方法去测量其几何参数，但由于薄壁回转体由陶 瓷、石英这类脆硬材料制成，其材料特性对电磁波反射透射界面的清晰度有影响，难以 获得要求的测量精度和测量效果，而无法实用。 因此，研究一种薄壁回转体几何参数测量的创新原理、方法和技术，开发出相应的 测量仪器系统将具有十分重要的现实意义。 本论文主要针对薄壁回转体几何参数检测设备的测量路径规划、轨迹规划的数学方 法、测量轨迹规划的软件开发和测量系统精度分析评价及校准方法等方面展开研究，以 实现对薄壁回转体外廓形、几何厚度的精密测量。论文的主要内容包括： 1 ) 测量路径的规划。为了有序、快速、高效地测量分布在外廓表面上的各个实际点的 一6 一 大连理王大学硬女学薤论文 垒耪i 爱其表蘑法国貔霉，掇密了簿蕤回转俸井纛形露帮壁浮溯量静三静籍径矮凳| 方 案，根据测量采样和测量时间的要求从中选择出一个最佳的测量路径。 筋建宠乡 癣形模鍪方程靛数掌方法。遴过对终轮纛静溅量褥掰薄壁嚣转薄多 轮癣各涌 点的坐标，利用三阶曲线插值和拟含算法建立外廓形母线模型方程。 3 ) 壁器测量方案。本方案采雳键式溺爨头絮浚测点甥线方鸯等长点逡线运动溅耋戆掰 方法，并且将以往两工位上测量改成一工位上测量，这种改进减少了由变化工位所 豢寒豹位繁误差，麓耽7 王搴，提寒了壤发。 4 ) 运幼轨迹控制技术。运动轨迹控制技术包括两个方面：一方面是根据测量原理导出 测爨运动轨迹生成冀法。另一方瑟楚妇倪缳证测量锼在工传内壁鳃接触点菇癸廓接 触点的连线始终处于被测点的法线方向，从而直接测出测件的法向厚度。 5 ) 测爨数据的处理方法。实测采集至g 的原始数据，由于采集过程中鳃不确定因素，缀 可艉导致穗大误差的产生，所以如何进行数据预处理来剔出采样数据中的奇异项悬 需要解决的问题之一。 6 ) 开笈测量轨迹规划软件。使用v c + + 编程技术，实现了数掇的预她瑷、外廓数据的 一数化处理、薄壁阐转体外廓形的建模、几何厚度的轨迹生成、数控测量代码的生 成镣功能。 7 ) 测爨系统精度分析补偿及校准方法。测量系统的分析补偿主要研究伺服轴定位精度 与鬟复定缀精度事 绥、回獠闻豫矜馁、直线毒鑫二维耪度幸 馁孩及溺薰锈铰接点豹僚 置误差对几何厚度测量精度的影响；几何测量设备校准方法的研究难要包括法向壁 霉测量穗发戆校准方法窝羚瘗影测爨耱疫弱校准方法。 8 1 机床的安裟与调试。对薄壁回转体几何测量机床进行安装与调试，使其满足设计精 度约要求。 2 薄壁回转体几何参数测量系统概述 2 1几何参数测量设备测量任务分析 薄壁回转体几何参数测量对象的两个主要要素为薄壁回转体几何厚度和外廓形，特 别是薄壁回转体的几何厚度，其偏差对薄壁回转体电气性能有着重要的影响。薄壁回转 体外形似鼻锥形的抛物面，结构复杂，现有测量方法或通用精密测量仪器难以达到要求， 因而对其几何参数进行测量，要求有创新的测量原理和方法，并结合精密测量、自动控 制等技术。薄壁回转体的壁厚和几何外形尺寸相差较大，它们的尺寸精度要求亦相差甚 远，几何厚度允差约为外形尺寸允差的十分之一，因而对它们的测量要求会有很大的不 同。大连理工大学受某院委托，设计并研制一台薄壁回转体几何参数检测设备，以解决 薄壁回转体外廓形及几何厚度精密测量的难题。 2 2 机械系统简介 2 2 1 系统总体构建方案 结合薄壁回转体几何参数测量原理的特点，确定测量系统总体方案如图2 1 所示。 薄壁回转体几何参数测量设备采用三坐标联动系统，水平轴为x 轴，竖直轴为z 轴，x 轴和z 轴为直线运动轴。薄壁回转体中心所在轴为c 轴，c 轴为旋转轴。c 轴旋 向与x 、z 轴满足右手系。测量系统机械部分设计为倒t 字型结构。薄壁回转体专用夹 具安装在机床工作台上，薄壁回转体固定在专用夹具内，大端向上。测钳设计成可旋转 式双向结构。在对薄壁回转体外廓形进行测量时，测钳如图2 1 中所示，外廓形测头在 以x 轴和z 轴构成的x o z 平面内运动，测得相应测量点在x o z 平面内的坐标值( x ， z j ，配以旋转轴的坐标值，构成外廓形测量的数据点c 蜀，五，c f ) 。当对薄壁回转体几何 厚度进行测量时，将测钳旋转一个角度，使薄壁回转体壁嵌入壁厚测钳中，进入壁厚测 量工位。控制测钳按照等迹线轨迹运动，从壁厚测头读出该点的厚度值h 。，与该点坐标 值( * ，z f ，c f ) 共同构成几何厚度测量的完整数据蜀，z f ，c ，柏。 薄壁回转体几何测量设备的测量任务有如下特点：外廓形测量要求精度与几何厚度 的测量要求精度有一定差距，但是差距不是很大。几何厚度虽然要求测量精度很高，但 是真正反映到机床上的定位精度要求远低于几何厚度的精度要求；而薄壁回转体外廓形 的测量精度直接取决于机床的定位精度，在机床定位精度小于1 0 邮1 时，对薄壁回转体 几何厚度基本不造成任何影响，所以将薄壁回转体分为粗测量工位和精测量工位是没有 必要的，完全可以在一个工位上完成。 夫连理工大学磉圭学靛论文 图2 1 系统总体方案圈 f 喀2 1 t h ec o l l e c t i v ed e s i g no f m e a s m e m e n ts y s t e m 乡 麟形测量时对薄壁隧转俸酶定位方式没鸯妒疆要求，薄壁匿转俸大端自上或者簿 壁溷转体穴浚囊下穆可瑷茏鬻溯耋。嚣薄壁整转髂足簿厚度裂震要癸袋薄壁霾转接丈臻 口向上，以方便测量锚进入薄藏回转体。这样，薄壁回转体外廓形测焘的定位方式便可 以根据几何厚度的定位方式而爱活决定。 结台测量原理分析和测墩任务分析，本测量系统提出了。一次定能，两种测量”的 测量方法：即在将薄壁回转体一次装夹之后。便可以完成外廓形和几何辱度两秘测量的 溺量方法。这秘方法，不毽攘褰了薄壁霾转俸足露参数静嚣量效率，氇骞效避免7 嚣次 装夹带入鹘定位误差。 2 2 2 专用夹具设计 为了究成薄壁回转体在一个工位上完成两种测量的任务，必须设计一个薄壁回转体 测量专瘸必是。薄壁回转体专用测量夹具如图2 。2 所示。 一拿一 薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划 微 保 丁 图2 2 薄壁回转体专用测量夹具 f i g 2 2 t h es p e c i a jc l a m pf o rm e a s u r e m e n to f t h t w w a l lr e v o l v i n g b o d y 此专用夹具定位方式为不完全定位，约束了薄壁回转体的五个自由度。薄壁回转体 可以沿z 方向向上移动。但是，由于薄壁回转体重力的存在，在测量过程中，可以紧贴 在微调夹紧机构上，所以，定位方式是合理的。 装夹机构上的保持架共有3 根，呈1 2 0 度角均匀分布。保持架的头部安装有微调夹 紧机构。保持架安装在转台上，在转台的中间安装有反顶尖。安装薄壁回转体时，将薄 壁回转体小端放入反顶尖内，在定位弹簧被压下一部分并稳定之后，配合千分表调整微 调夹紧机构，将薄壁回转体轴线调整至与水平面垂直。调整完毕后，将微调机构死锁即 完成了薄壁回转体的装夹。 该定位夹紧机构优点如下：安装定位调整简单准确：能够确保一次定位之后，便可 以完成外廓形和几何厚度两种测量，且不发生干涉；拆卸维修方便，可以很方便地安装 在工作台上；具有通用性，当需要测量的薄壁回转体的型号发生变化时，只需要改变保 持架的形状即可满足不同薄壁回转体测量的要求。 2 3 控制系统简介 对于薄壁回转体几何测量设备的控制系统，还具有其特殊性。除了应该考虑到稳定 性、可靠性之外，还应该重点考虑系统的高精度问题。在测量时，直接影响测量精度的 是x 轴和z 轴，所以这两个运动轴采用位置环全闭环设计。而c 轴的运动特点又不同 于前两个轴，每次对薄壁回转体母线进行测量的时候，c 轴都是静止的，一条母线测量 大涟毽工大学疆士学位论文 缮聚乏爱c 辘嚣始运麓，运霹到搔定蕉麦乏磊，c 辘褥次箨壹，x 帮z 辘嚣始运葫。又 因为薄壁回转体为回转体，在c 轴方向的误差对测量结果不大，所以c 轴采用半闭环 控制方式便可以满足测爨要求。 运动控镟| 方面可戳健用一个多辘控割卡来完成。绥会本欢溯囊任务，就控翻卡疲其 有商精度控制功能；应至少具有四个通道，分别驱动x 轴、z 轴、c 轴和髓厚测头：应 冥鸯会适总线协议与工照控割计冀极逶售功缝；应具蠢寒性能豹霹二次舞发性爨，戳 根攒用户的不同需要，缀过二次开发后完成测量任务；应具有较高的数据处理功能，轻 松成对采样频率高时的大量数据涌入；应具肖识别或缝二次开发后识别通用加工代码的 凌稳等。综合淤主考虑，本系统控涮叛专逡鬻美国i ) e l t at a u 公霹p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t ia x i sc o n t r o l l e r ) l i t e 多轴控制卡。此板卡除具有以上功能外，内部已缀将p i d 调节 方式参数化，霹以直接遁避用户修改辐应的p i d 参数，对控制系统做出调节【2 s j 。 蕊馈组锌瑷及铡头装置选择方褥，主要考虑测量耩度、分辨率以及与p m a c 羧制 卡兼容性。经过分析比较，外廓形测头选用荚国r e n i s h a w 公司的t p 2 0 测头，此测头的 触发形交要求瓷l l a m ，逡小手势鲶薅灏量糖发要求。璧器测头选瘸德国h e i d m h a i n 公霹 的s t l 2 0 0 型长度计，测量精度为l 岫，经过细分之爝，其分辨率为0 5 ) t i n ，可以满足 几何厚度的测景要求。黛线轴的位置反馈元件采用德囡h e i d e n h a i n 公司的高精度光据 足。 根据测量鼹求和测爨原理方案，制定控制系统方案如图2 3 所示。拟定控制方案与 测璺方案如下； ( 1 ) 运动羧剖方案： _ 工业控制计算机作为测曩控制主机： 测头檠浍x 嚣z 悫弱邀动由x 、z 蠹电掇兹驱动来实瑗，c 霉垂旋转，菪岛x 轴z 轴满足右筝系； 面板控制应该包括点动、增量、自动返原点、自动测量等功能； 嚣鑫款箨p l c 对溅量运动过程孛豹系统获态进行登援。 ( 2 ) 测量方案： 终鹰形测羹皇几何厚度测量采用一工位两种测量方式，溥除定德误差。 薄蕤回转俸外痹形测塞与几何浑魔测量均用逐条母线方式迸稀测量。 外廓形以及几何厚度均由外廓形测头和壁厚铡头直接测出，测头的分辨率分 爨为1 0 m 彝0 。5 w a 。 薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划 图2 3 控制系统总体方案图 f i g 2 3t h ec o l l e c t i v es c h e m eo f c o n o o ls y s t e m 尺 薄壁回转体几何测量控制系统的硬件由工业控制计算机、伺服机构、监测和测量设 备、执行机构等几部分组成，如图2 4 所示。 图2 4 控制系统硬件框图 f i g 2 at h eh a r d w a mf l a m eo f c o n t r o ls y s t e m 大连建工夫学矮妻譬僚论文 测头熙精密测量仪器的头键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何信息，其功 能特性嶷接影响着精密测量仪器的测量精度、工馋性能、使用效率署日柔性程度。精密测 头是隈割耱密量饺壤度窝速度戆圭要因素，壤密溅囊纹器裁否纛是测蹩要求也菝羧予壤 密裁爻系统的选择。没有先避豹铡头，裁无法发探精密铡量坟器熬动筏。 o * 蚋 图2 5 触发式测头绪构及原理 f i g 2 jc 掰撼蜘蓝畦o n a n d t h e t h 娜o f b u r s t m o d e p r o b