基于测量的薄壁舱体零件加工余量适应性分配研究

发布时间：2020-06-30 19:17

【摘要】：航天飞行器舱体作为承载和连接各个功能件的关键零件,其制造精度对飞行器的性能有着重要的影响。随着航天事业的不断发展,对飞行器轻量化的要求日益迫切,舱体零件广泛采用整体薄壁结构。目前飞行器的舱体主要由“铸造/焊接+精密数控加工”组合工艺加工而成。因在铸造过程中经历热循环,薄壁舱体零件毛坯外形、壁厚尺寸一致性差而且加工余量分布不均匀,传统数控加工技术存在加工时间长且加工效率低的问题。本文针对个性化舱体毛坯加工要求,研究了舱体零件加工余量的适应性分配技术,开展了三维数字化测量、模型配准、余量分配以及快速数控编程等关键技术的研究。论文的主要完成了以下工作:(1)基于薄壁舱体结构特征及其毛坯尺寸状态,研究了舱体外形三维数字化测量技术,建立了复杂曲面外形在机测量系统和舱体薄壁厚度的在机超声测量系统,并分别针对外形和壁厚测量制定了测量方案,确保高效精确地获取舱体毛坯数据。(2)基于实际测量数据,提出了适应薄壁舱体结构特征的模型配准思路,研究了基于PCA的快速粗略配准算法和基于单位四元数的ICP精确配准算法,给出了先粗略配准后精确配准的配准方法,提高了配准的效率和精度,为后续约束配准提供了良好的位置姿态。(3)基于测量数据与理论CAD模型的配准结果,分析了毛坯加工余量分布情况,分析了薄壁舱体毛坯的三种状态,并针对余量的分布情况研究了轮廓度和壁厚双重约束下的余量优化方法。(4)根据个性化薄壁舱体的编程要求,提出了基于模板刀位点整体变换的快速数控编程解决思路,研究了模板刀位点的生成与提取方法,给出了刀轴法矢的计算方法,并基于刀轴法矢施加刀具偏置生成了最终的加工刀轨。最后开展了薄壁舱体进气道的加工验证试验,分析了试验件的加工精度,验证了本文的余量分配技术的正确性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V46
【图文】：

二维图像,非接触式测量,被动式,双目

图 1. 1 三维测量技术方法分类12]对接触式测量测量效率低、测量对象要求高等不足，非接触式测量得到了快速发量主要基于磁学13]、光学14]、声学15]等领域中的基本原理，将一定的物理模拟算法转化为被测物体表面的坐标，具有测量速度快、效率高、测量范围广、不受非接触式测量方法中基于光学测量的方法是应用最为广泛的，常见的有激光三法、投影光栅法、图像分析法等。近年来，基于计算机视觉的非接触测量发展迅为基础，结合计算机图形学、图像处理技术以及计算机视觉等技术来从二维图像的三维信息，可分为单目测量，双目测量以及多目测量，其中德国 17]流动式光学立体视觉测量系统是经典的双目测量设备，如图 1.3 所示，它将特投射到被测物体表面，然后两个相机对光栅干涉条纹自动拍摄，接着由测进行计算处理，能够在很短的时间内获取被测物体表面的点云数据，大大提高了使用方便，不受地形限制，可以随意移动。非接触式测量中，按照光源的不测量方式分为主动式和被动式两种形式。被动式方法是指测量传感器不主动向被束，而是直接利用物体表面反射的自然光来获取物体三维信息。这种方法测得的较低，通常情况只能得到一个比较模糊的信息。相对于被动式三维传感器而言，

三坐标测量机,在机测量

图 1. 2 三坐标测量机图 1. 3 视觉测量系统随着传感器技术的不断发展，测量的方式不断进步，从传统的离线式测量融入到生产加程中，实现了在机测量（ n achine easurement，）18]。在机测量指在某一道加序完成后直接在机对零件的尺寸进行测量，不需要在各道工序间进行离线测量，这不仅缩加工耗时，大大提高了加工效率，而且还可以避免重复装夹误差导致的零件加工精度不高。所谓在机测量，就是以机床或者机器人等为运动载体，并将传感器安装在机床上，通过运动实现零件的测量。这种测量方式的最大优点就是灵活性和便携性，是三维数字化测量键技术之一。学者针对在机测量展开了大量研究。 ae 等19]开发了一种基于模型的触式激光位移传感器的在机测量系统，用于测量和评估数控加工后的加工表面，并可以集开放式的数控系统中。 ao 等20]开发了具有多点光束的光学二维斜率传感器，该传感器使柱面透镜可以有效消除圆柱表面曲率的影响，并通过将二维激光传感器安装在超精密金刚床上，实现了具有大面积正弦微结构的圆柱形表面的在机测量。 iu 等21]针对航空中的大壁零件实现了集成在机激光线扫描测量和数控加工有效结合的高效可靠的制造策略。该集程包括相关约束分析、在机测量、加工目标表面的重构和数控加工。并以火箭发动机的喷行了实验，验证了该策略的有效性，并可以提高大型薄壁零件的加工质量和加工效率。吴

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