面向复杂曲面叶片的机器人接触式原位测量技术

发布时间：2020-09-16 21:15

　　航空发动机叶片是飞机动力系统的重要组成部件,叶片的加工质量对飞机的性能和寿命影响很大。叶片零件曲面特征复杂,导致其加工和测量都很困难,目前大部分叶片仍以三坐标测量为主,三坐标测量机无法实现原位测量,测量效率低,工时成本高。为了提高叶片的加工质量和加工效率,本文基于工业机器人技术,提出了一种叶片自动化“加工-测量”方案,重点针对叶片原位测量技术开展了研究。本文的主要研究工作如下:1.叶片原位测量系统构建。构建了一种叶片机器人自动化“加工-测量”方案,提出了一种基于力觉和视觉的光笔式原位测量方法,采用机器人夹持光笔在力控制下与叶片稳定接触,按照规划的测量轨迹扫描叶片,同时通过双目视觉系统实现非接触式测量。该方法结合了接触式测量的高精度和视觉测量的高效率,避免了传统接触式测量设备的运动误差对测量精度的影响,能有效实现叶片原位测量。2.基于双目视觉技术的光笔三维重建。建立了视觉成像模型,采用张氏标定法完成了双目视觉系统的标定;通过图像处理获得了光笔上特征圆中心在左右图像中的像素坐标,采用立体几何法实现了光笔姿态的三维重建,运用最小二乘法完成了探针球心坐标的标定;在光笔式原位测量实验平台上进行了重复精度测量实验,结果显示重复测量误差小于0.282mm,深度方向测量误差比其他方向更大。3.叶片表面测量轨迹规划。以叶片三维模型为基础,根据叶片设计流程的逆过程对测量点进行了规划,采用等截面法提取了叶片表面的轮廓曲线,将轮廓线的曲率信息融入到等步长采样法中,提出了一种自适应采样的方法,对叶片表面的测量点进行了规划。根据测量路径对机器人的运动轨迹进行了规划,通过仿真验证了机器人运动的稳定性。4.接触式测量顺应控制。建立了机器人接触式测量的力控制模型,采用阻抗控制器对机器人进行了顺应控制。在正弦曲面上对机器人的力控制算法进行了仿真和实验,结果表明控制器具有稳定性,力跟踪误差小于±1N。在光笔式原位测量实验平台上开展了叶片测量实验,验证了方案的可行性,将测量结果与三坐标测量机进行了对比,结果显示测量误差小于0.4mm,测量误差可能是由环境光照、相机分辨率、标定精度、图像轮廓提取精度以及接触力过大等因素综合引起的。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242;V263.1
【部分图文】：

原位测量,叶片,系统组成,部件

华中科技大学硕士学位论文根据实际接触力与期望接触力的误差对磨抛机进行力控制，使砂稳定在期望的数值，实现叶片的恒力磨抛。叶片磨抛完成后，CO磨抛后的叶片工装移动到测量工位，并保持固定不动，由光笔式测量工作。笔式原位测量系统构成式原位测量系统由 UR5 机器人、接触式探针、六维力传感器、光统组成。如图 2-2(a)所示，UR5 机器人具有轻巧、高度灵活性与工作半径为 850mm，有效负载 5kg，重量仅 18.4kg，占地面积直径为关节臂可在有效工作空间内灵活运动，适用于各种复杂工况，能够测量。

系统原理图,原位测量,光笔,实验平台

图 2-4 光笔式原位测量实验平台位测量原理owxwywzwo0x0y0y1oRxyRzRo1x1z0z111(,)wwRT00(,)wwRT11(,)RRRT00(,)RRRT图 2-5 光笔式原位测量系统原理图位测量系统原理如图 2-5 所示，为了获得叶片表面目标世界坐标系w w w wo x y z、工件坐标系0 0 0 0o x y z、相机坐标

板图,同步采集,相机,标定图

(a) 左相机采集的标定板图像 (b) 右相机采集的标定板图像图 3-3 左右相机同步采集标定板图像MATLAB Calibrator 工具会根据每幅标定图像及最终标定结果计算重投影误差，相机标定过程中由于标定板倾斜程度不同，光照、噪声等因素的影响，部分标定图像角点提取误差较大，导致最终标定误差较大，因此需要对标定结果进行重投影误差分析，删除误差较大的标定图像并重新计算标定结果。实验中对标定结果进行了优化，最终保留了 22 幅图像用于确定相机的参数。

【参考文献】