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非接触式原位测量多源误差建模与补偿技术研究

非接触式原位测量多源误差建模与补偿技术研究

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作者：刘泽宇吉林大学

学位级别：硕士

在航空航天和医疗器械等高精度制造领域,制造工件过程通常会采用三坐标测量方法来进行高精度的测量。然而这种离线测量方式可能造成被测工件表面损伤、加工效率低下、多次装夹引入的装夹误差难以确定等问题。为解决这些问题,非接触式的... 详细信息

在航空航天和医疗器械等高精度制造领域,制造工件过程通常会采用三坐标测量方法来进行高精度的测量。然而这种离线测量方式可能造成被测工件表面损伤、加工效率低下、多次装夹引入的装夹误差难以确定等问题。为解决这些问题,非接触式的激光测量技术被越来越广泛地应用于精密制造领域,其中激光三角测量是一种应用广泛且测量精度较高的测量方法。使用激光三角测量方法具有无损测量表面、降低测量成本、提高测量效率等优势,因此基于激光三角测量的激光位移传感器逐渐被应用于精密、超精密加工时的非接触式原位测量设备中。在进行激光三角测量时,其测量精度容易受到被测表面特征和测量环境的影响。因此,建立一个综合误差模型,对测量误差进行推导计算,并将计算结果作为误差补偿值来修正测量结果就显得十分必要。本文以测量时的环境因素(如空气介质和周围环境光的照射)、被测表面因素(如表面粗糙度和表面倾斜角度)以及测量移动过程作为影响激光三角测量的误差影响因素进行研究和分析。当前已有学者对激光三角测量的各个误差影响因素分别进行了单独研究,但仍然缺少综合误差影响模型,本文将多种因素引起的测量误差进行综合分析和建模。本文通过分析激光三角测量的原理,研究三个主要影响因素对测量精度的影响方式,在此基础上推导了PCT光照模型,对不同误差影响因素进行了单因素分析和耦合因素分析,建立了综合误差模型。对于激光三角测量来讲,该模型通过一个误差模型实现了对多种误差影响因素的分析和补偿量的计算。并且基于该误差模型,本文利用MATLAB开发了一套激光三角测量误差补偿软件,可高效精确的计算误差因素对测量效果的影响程度。此外,通过实验发现了区域干涉失效、环境光测量失效、烟雾测量失效和倾角测量失效四个导致测量失效问题,研究获得了测量失效问题相应的解决方案,从而扩展了测量的完整性和实用性。通过单因素误差补偿实验、Comsol仿真模型实验、以及多因素综合误差补偿实验,证明了在单因素误差影响下,实验结果、仿真结果与综合误差模型的计算结果较为相符。单因素误差补偿实验实现了72.67%的误差消除。在多因素综合误差补偿实验中,作为被测实验工件的叶片其凹面的误差补偿量为59.64%,凸面的误差补偿量为56.43%,实现了较好的误差补偿效果。综合实验证明了本文提出的综合误差模型对于减少激光三角测量的测量误差是有效的。

关键词：原位非接触测量激光三角测量误差模型软件开发综合误差补偿

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