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点激光在机测量位姿标定与测量规划

点激光在机测量位姿标定与测量规划

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作者：寇猛华中科技大学

学位级别：硕士

航空铸造涡轮/燃机叶片等是航空发动机的核心部件,其制造精度和型面质量对保障航空发动机性能和服役寿命具有决定性影响,但该类零件具有薄壁弱刚性、曲面结构特征复杂等特点,导致加工过程中极易发生变形。而传统测量主要以离线三坐标测... 详细信息

航空铸造涡轮/燃机叶片等是航空发动机的核心部件,其制造精度和型面质量对保障航空发动机性能和服役寿命具有决定性影响,但该类零件具有薄壁弱刚性、曲面结构特征复杂等特点,导致加工过程中极易发生变形。而传统测量主要以离线三坐标测量和接触式测量为主,离线三坐标测量机设备成本高,需要反复搬运、多次装夹;接触式测头测量操作复杂,路径规划易干涉。针对以上问题,本文以点激光传感器在机测量系统为对象,对激光出光方向标定、在机测量路径规划、测量数据获取与处理等关键技术进行深入研究,主要研究内容包括:(1)研究激光出光方向标定方法与多角度测点拼接方法。综合考虑机床坐标系、工件坐标系以及传感器坐标系之间的相对位置关系,构建包含激光出光方向和球心坐标的非线性方程组,采用LM(Levenberg-Marquardt)算法对球心坐标及激光出光方向进行优化求解,实现传感器出光方向的高精度标定;针对多角度测量点云拼接问题,采集多组光束单位方向矢量与多组球心位置坐标,求解旋转前后传感器坐标系位姿变换矩阵,实现多角度点云的高精度拼接。(2)研究基于三角网格的在机测量路径规划方法。提出基于栅格算法的测点提取与法矢估计方法,实现基于三角网格的理论路径点生成,充分考虑传感器测量景深、测量角度等约束条件,研究理论路径点与实际路径点之间的映射关系;建立点激光传感器在机测量的路径优化数学模型,构建测量路径的优化目标函数,提出基于蚁群算法的测点路径规划方法,实现测点扫描顺序的最优化,对优化后的测点进行后处理,实现测量宏程序的自动生成。(3)搭建点激光传感器在机测量系统,开发点激光传感器在机测量软件。开展激光出光方向标定与多角度点云拼接实验,开展基于标准球的误差分析实验,对测量景深与测量角度进行优化;开展单球球径和双球球心距测量实验,结果表明在较优条件下,该系统的单次单球球径测量误差不高于±0.03 mm,双球球心距测量误差不高于±0.02 mm,最后将所提方法应用于平面及航空叶片、蒙皮样件在机测量,验证了该系统可适用于航空航天复杂曲面零件高效自动化在机测量。

关键词：光束方向标定多角度测点拼接路径规划激光在机测量

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