壳段厚度在位激光三角测量技术研究

发布时间：2020-04-27 13:51

【摘要】：在运载火箭中含有大量的薄壁壳段部件,其壁厚过薄会降低火箭主体结构的强度,过厚则会降低火箭的有效载荷。为了保证壳段的加工质量,需要对其厚度的三维分布进行测量。但是,在现有的壳段厚度测量方法中,以激光三角法为代表的线下测量方式不利于壁厚超差部位的定位和修复,以超声波为代表的在位测量方法因逐点接触测量的技术特点而存在测量效率较低的问题。因此,对壳段厚度在位激光三角测量方法的研究具有一定的必要性和必然性。本文提出的壳段厚度测量方法的核心是将固定有两个激光位移传感器的夹具装卡于铣床主轴上,借助于铣床的运动实现被测件厚度三维分布的连续测量。显然,待测件表面形貌的多样性及其安装位置的随机性,限制了传感器测量线方向的准确性,成为制约壳段厚度在位测量精度的主要因素。因此,本文的研究工作围绕提高圆筒状壳段厚度在位测量精度这一主题展开,从理论分析和实验研究两个方面对涉及到的若干关键技术问题进行了探讨,具体内容如下:建立了基于两个激光位移传感器的壳段厚度在位测量几何模型,分析了在位测量过程中被测件、传感器等部件安装误差对厚度测量结果的影响;基于复杂物面的激光散射理论,建立了考虑物体表面几何特性的激光传感器位移测量误差模型,分析了倾斜角、曲率等参数对单个传感器以及圆筒状壳段厚度测量结果的影响。分析结果表明,对于在待测壳段内外两侧对称布置的传感器而言,由倾斜角、表面曲率等物面几何特性引起的传感器原理性误差能够相互补偿或者基本忽略,而两个激光传感器及其与铣床、被测件之间位置关系的准确性是决定厚度测量精度的关键因素。针对在位测量中各部件相对位姿的准确性与厚度的测量精度之间相互制约的问题,构建了一种双偏置参数圆筒状壳段壁厚测量模型。借助于基于相关理论的相位差计算方法、差分算法实现了模型中待测件安装偏心距和传感器测量线偏移量参数的准确估计,进而从两个激光位移传感器测量值中提取出对应的厚度值。利用蒙特卡洛法对该方法的测量不确定度进行了分析,仿真结果表明该模型能够提高壳段厚度的在位测量精度。针对双位移传感器测厚中对射激光束共线调节这一共性核心问题,提出了一种基于双分光棱镜的激光束空间视觉定位方法,建立了四个光斑图像中心点坐标与两个传感器测量线相对姿态间的数学模型。结合拉格朗日非线性分解理论,根据最小类间方差目标函数对图像直方图进行迭代分解,以实现图像光斑区域最优边界对应分割阈值的快速提取,进而提高激光光斑中心的拟合精度。对激光束共线检测方法的误差进行了分析,与壳段厚度测量中传感器共线性允差的对比表明该方法满足设计要求。针对未知噪声频率信息条件下壳段厚度连续测量数据的去噪问题,提出了一种基于模态分解算法的改进自适应滤波方法。对经验模态分解、变分模态分解算法进行了改进及性能分析,并联合上述两种方法将厚度数据分解为若干个固有模态函数。然后,提出了固有模态函数瞬时能量概率的概念,结合离散Hellinger概率分布距离理论判断固有模态之间的信噪分界点,从而实现对信号的重构及滤波处理。对壳段厚度数据的仿真和实验处理结果表明,在无需选择基函数、分解层数的前提下,所提方法的去噪性能优于现有小波滤波方法。最后,对本文中提出的激光束共线检测方法、基于双激光位移传感器的壳段厚度在位测量方法进行了实验验证,搭建了相应的测试平台,通过对标准量块、待测件安装偏心距的测量分别验证了所提方法的有效性。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;V475.1;V414

【参考文献】