大型螺旋槳高效測量及余量自適應(yīng)分配技術(shù)研究.pdf

1、螺旋槳是船舶推進器的核心元件，其制造品質(zhì)的優(yōu)劣對艦船隱蔽性、動力性能和穩(wěn)定性能影響巨大。國內(nèi)螺旋槳制造水平與國際先進水平還存在一定差距，具體表現(xiàn)在鑄造、檢測、加工等多個領(lǐng)域。其中，螺旋槳的檢測工作貫穿于整個制造過程，是連接鑄造與加工的中間橋梁，也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。然而，越來越多的制造廠家意識到現(xiàn)有的“螺距規(guī)+卡鉗”的手工測量方法、傳統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)處理方法在檢測效率與檢測精度等方面越來越難以滿足各大船廠日益增長的螺旋槳精度需求，落后

2、的檢測技術(shù)已經(jīng)成為制約大型螺旋槳高效、高精制造的源頭性因素。
　　激光測量作為極具發(fā)展前景的非接觸式測量方法已經(jīng)被廣泛用于解決各類幾何信息的測量問題，具有測量速度快、信息量大、自動化程度高等顯著優(yōu)點。但是在實際測量過程中同樣具有一些弊端，其中最為主要的是其測量精度非常容易受到物體表面幾何形狀的影響。實現(xiàn)大型螺旋槳高效、高精激光自動化測量面臨三個主要難題:①傳統(tǒng)的“螺距規(guī)+卡鉗”的測量工藝已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用激光傳感器的大型螺旋槳檢測

3、工藝與專用裝備尚屬空白；②螺旋槳槳葉屬于典型的自由曲面，激光傳感器的測量精度勢必受到被測表面幾何形狀的影響；③螺旋槳毛坯模型的調(diào)整及匹配問題非常復(fù)雜，目前僅能依靠人工經(jīng)驗完成，缺乏開發(fā)自動化算法的理論基礎(chǔ)。本文旨在針對上述問題，在檢測工藝、激光測量精度保持算法、模型分析及匹配算法等方面做一些研究和探索，建立一套用于大型螺旋槳高效檢測的完整的理論和方法體系，實現(xiàn)螺旋槳高效、高精、智能化檢測。
　　首先，研究了大型螺旋槳完整的制造工藝

4、，總結(jié)出螺旋槳在各個生產(chǎn)階段的檢測需求和檢測工況，提煉出大型螺旋槳激光檢測過程中的關(guān)鍵技術(shù)。對照國際標準，結(jié)合國內(nèi)螺旋槳制造現(xiàn)狀，提出基于激光測量技術(shù)及曲面造型技術(shù)的大型螺旋槳智能化檢測方案，為后續(xù)大型螺旋槳激光檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　其次，針對自由曲面激光測量精度問題展開深入研究，提出了基于激光傳感器空間位姿的自由曲面測量誤差補償模型。利用“測量距離h”、“測量入射角α”、“測量方位角φ”三個參數(shù)描述激光傳感器相

5、對于被測點的空間位姿，設(shè)計精確測量實驗研究各參數(shù)的變化對激光測量精度的影響，在實驗研究的基礎(chǔ)上，利用幾何光學與輻射度學的相關(guān)理論，建立基于激光傳感器空間位姿的曲面測量誤差模型，提高自由曲面激光測量精度。
　　第三，提出了一種大型螺旋槳毛坯余量自適應(yīng)分配方法。針對大量的螺旋槳毛坯鑄造過程中局部變形過大而難以適應(yīng)標準設(shè)計模型的制造難題，提出了一種螺旋槳毛坯加工余量自適應(yīng)分配算法，算法中分析了各個建模參數(shù)（槳葉間傾、縱傾、夾角、螺距等）

6、的相互影響關(guān)系，在多參數(shù)約束條件下對標準設(shè)計模型進行自動調(diào)整以適應(yīng)螺旋槳毛坯的實際情況。標準設(shè)計模型自適應(yīng)調(diào)整完成后將毛坯模型與調(diào)整后的設(shè)計模型進行最優(yōu)化匹配，依據(jù)實際制造工藝合理簡化了最優(yōu)變換矩陣并利用L-BFGS-B算法進行求解。
　　最后，在關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套以激光測量為數(shù)據(jù)源的大型定距槳數(shù)字化檢測系統(tǒng)。設(shè)計了專用的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)螺旋槳“葉面”、“葉背”同步測量，解決了傳統(tǒng)人工測量時“葉厚”無法精確測量的問題。

7、開發(fā)了專用的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了螺旋槳參數(shù)化建模，測量路徑規(guī)劃，以及測量數(shù)據(jù)分析等功能，將各項關(guān)鍵技術(shù)的研究成果集成在軟件系統(tǒng)的各個模塊之中。
　　總體而言，本文建立了一套用于大型螺旋槳高效檢測的完整的理論和方法體系，相對應(yīng)的研發(fā)了一套用于大型螺旋槳測量的激光智能檢測系統(tǒng)。提出了一套符合國際標準的、制造企業(yè)認可的大型螺旋槳激光檢測工藝，提出了一種用于補償自由曲面激光測量誤差的精度模型，提出了一種用于螺旋槳毛坯模型加工余量自適應(yīng)分配算法