大型零件在機接觸式跟蹤掃描測量方法及關(guān)鍵技術(shù).pdf

1、在國防、航空航天、能源、運載等重大工程領(lǐng)域中普遍存在一類大型關(guān)鍵零部件，其加工難度大、性能要求高，制造質(zhì)量成為制約裝備整體性能的關(guān)鍵要素。此類零件通常具有空間尺寸大、剛度低、形狀不規(guī)則等特征，導(dǎo)致其加工變形難以得到有效控制，最終加工形貌呈個性化特征。若利用原始理論設(shè)計廓形進(jìn)行常規(guī)數(shù)控加工難以滿足零件制造精度與性能要求。利用在機接觸式跟蹤掃描測量技術(shù)，構(gòu)建測量-加工一體化制造系統(tǒng)，成為保障該類零件制造精度及提高制造效率的一種有效手段。然而

2、目前尚存在制約在機接觸式跟蹤掃描測量精度與效率進(jìn)一步提升的關(guān)鍵問題。本文依托國家自然科學(xué)基金重點基金《多源約束面形再設(shè)計類復(fù)雜曲面零件的加工理論與技術(shù)》、裝備預(yù)研基金重點基金《×××精密加工技術(shù)基礎(chǔ)研究》，結(jié)合中國運載火箭技術(shù)研究院委托項目，針對大型零件精密、高效在機接觸式跟蹤掃描測量中的關(guān)鍵問題，開展在機接觸式跟蹤掃描測量方法及關(guān)鍵技術(shù)研究，論文研究內(nèi)容包括如下方面:
　　針對三維掃描測頭非線性及準(zhǔn)正交互耦效應(yīng)對測頭探測精度產(chǎn)生

3、的不利影響，分析正交三維模擬測頭傳感器非線性誤差及導(dǎo)向機構(gòu)形變誤差，量化平行簧片機構(gòu)寄生轉(zhuǎn)角與寄生位移對測量精度產(chǎn)生的影響，探究測頭準(zhǔn)正交互耦效應(yīng)的成因，并以DIGIT-03型模擬掃描測頭為例進(jìn)行獨立非線性校準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上實驗觀察測頭準(zhǔn)正交互耦效應(yīng)，并提出三維掃描測頭準(zhǔn)正交互耦效應(yīng)消減算法。
　　針對在機接觸式跟蹤掃描測量系統(tǒng)強實時要求、多遲滯環(huán)節(jié)、大環(huán)路負(fù)反饋隨動控制特性，建立包含驅(qū)動器、機械結(jié)構(gòu)、檢測信號、采樣延遲、量化誤差、

4、干擾噪聲及非線性摩擦的跟蹤掃描隨動控制系統(tǒng)全局模型，給出跟蹤掃描隨動控制模型參數(shù)辨識方法，進(jìn)而對控制系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行了全局分析、揭示各干擾因素對隨動系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能的影響規(guī)律。
　　為提高跟蹤掃描隨動動態(tài)響應(yīng)性能，研究跟蹤掃描測量系統(tǒng)隨動控制算法。在傳統(tǒng)數(shù)控機床伺服軸控制算法基礎(chǔ)上，結(jié)合跟蹤掃描隨動控制模型，引入卡爾曼濾波器對隨動軸位置、速度及干擾噪聲進(jìn)行預(yù)測，基于極點配置控制器調(diào)整狀態(tài)反饋增益進(jìn)而改變閉環(huán)控制極點的預(yù)設(shè)自然頻率與

5、阻尼比，通過前饋零相位誤差跟蹤控制技術(shù)優(yōu)化隨動系統(tǒng)帶寬，根據(jù)摩擦力辨識值進(jìn)行前饋摩擦力補償，降低隨動軸頻繁啟停、跟蹤換向時因摩擦力瞬變引起的跟蹤延遲。
　　為克服零件觸測面幾何與摩擦力特征對跟蹤掃描速度及穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響，提出一種基于人工小腦模型控制器的跟蹤掃描速度智能規(guī)劃及觸測面摩擦動態(tài)補償控制策略，設(shè)計被測曲面幾何特征與摩擦力特征的識別與量化算法，制定針對跟蹤掃描測量的人工小腦模型控制器空間映射結(jié)構(gòu)以及學(xué)習(xí)算法，根據(jù)空間鄰

6、域特征（包括幾何特征與摩擦力特征）自動預(yù)測觸測區(qū)域模型表面特征，實現(xiàn)跟蹤掃描速度的智能規(guī)劃與摩擦力動態(tài)補償。
　　針對現(xiàn)有在機點云數(shù)據(jù)精簡方法的不足，提出一種基于雙Akima樣條插值技術(shù)的三維空間點云數(shù)據(jù)在線精簡算法。算法利用雙Akima樣條擬合連接精簡點云記錄點，并以擬合曲線至原始采樣點最大距離與預(yù)設(shè)逼近誤差間的量值關(guān)系作為采樣點取舍標(biāo)準(zhǔn)。其精簡數(shù)據(jù)可直接用于數(shù)據(jù)后處理與直接數(shù)控加工，可保證預(yù)設(shè)逼近誤差、提高數(shù)據(jù)精簡效率，并實現(xiàn)