曲面测量方法研究及测量仿真

论文摘要

曲面根据能否用标准数学模型表示分为规则曲面和自由曲面,根据曲面特征又分为已知CAD模型的曲面与未知CAD模型的曲面。曲面的测量是曲面的精度检验和反求的基础,三坐标测量机测量精度高,测量目的性明确,测量方法灵活,能满足对形状误差和位置误差等众多加工参数测量的要求,在曲面测量中应用最为广泛。本论文以减小三坐标测量误差,提高曲面测量效率及精度为出发点,主要对三坐标测量曲面中的关键问题:工件坐标系的建立、测量路径规划、测点分布、测头半径补偿、测量误差评定、自动测量等进行研究与探讨。论文分析了曲面测量路径的设计原则,提出了八点曲面测量路径规划策略,总结了测头半径补偿方法、优缺点及适用范围,给出了曲面测量误差评定方法。研究了机器设备与测量方法对曲面测量误差的影响。针对机器误差:主要从几何误差、测头误差、软件误差、变形误差、动态误差这几方面分析了产生曲面测量误差的原因,研究了几何误差、热变形误差、动态误差的数学模型,对机器误差进行了补偿。针对测量方法误差:主要研究了工件坐标系的建立、测量路径规划、测头半径补偿、人员操作水平对测量误差的影响。分析了产生测量误差的原因,给出了减小测量误差的方法。分别对CAD模型已知与未知的曲面测量进行具体研究。针对CAD模型已知的曲面测量,结合叶片测量实验,首先提出并实现了基于三平面法建立粗基准的最小二乘法建立工件坐标系,提高了基准对齐精度。而后提出了在均匀分布的基础上,采用输入测量点的方式,分别通过曲率差值法、直线夹角法实现了测点的自适应分布。针对测量实验,比较了分别沿曲面二维与三维矢量方向进行路径规划与半径补偿的测量误差。最后开发了已知CAD模型的测量仿真软件,对测量流程进行仿真,主要包括最小二乘法对初始坐标系的转换、测点自适应分布、测量路径检验、避障点的设置、DMIS文件的生成、三坐标测量机输出文件的读取、测量误差的评定。针对CAD模型未知的曲面测量,首先在实现多项式法、圆弧外延法的基础上,提出了圆弧切线法预测后续测量点及其矢量,实现了测点的自适应跟踪测量。然后提出了二次测量法,先采用连续扫描测量,再进行点位触发测量,提高了测量精度。最后开发了未知CAD模型的曲面测量仿真程序,实现了后续测量点及其矢量的预测,初始扫描测量数据的半径补偿及矢量求取,DMIS程序的生成。本论文的研究是在结合叶片测量实验的基础上进行的,测量规划和程序通过仿真并经实例得到了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 曲面测量方法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 已知CAD 模型的曲面测量研究现状
• 1.3.2 未知CAD 模型的曲面测量研究现状
• 1.3.3 测量仿真研究现状
• 1.4 课题背景及主要研究内容
• 1.4.1 选题背景
• 1.4.2 论文主要研究内容
• 第二章 CMM 测量曲面技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 CMM 测量软件
• 2.3 曲面的CMM 测量方式
• 2.3.1 点位触发式
• 2.3.2 连续扫描式
• 2.3.3 编程方式
• 2.4 曲面测量路径规划
• 2.4.1 测量路径的设计原则
• 2.4.2 曲面测量路径规划策略
• 2.5 测头半径补偿
• 2.6 测量误差评定
• 2.6.1 点位测量下的测量误差评定
• 2.6.2 扫描测量下的测量误差评定
• 2.7 本章小结
• 第三章 CMM 测量曲面误差分析及减小方法
• 3.1 引言
• 3.2 机器误差对测量误差的影响
• 3.2.1 静态误差
• 3.2.2 动态误差
• 3.2.3 机器误差补偿
• 3.3 工件坐标系的建立对测量误差的影响
• 3.3.1 产生工件坐标系建立误差的原因
• 3.3.2 常用的工件坐标系建立方法
• 3.3.3 不同方法下的测量误差比较
• 3.3.4 减小工件坐标系建立误差的方法
• 3.4 测量规划对测量误差的影响
• 3.4.1 沿法矢量规划测量路径
• 3.4.2 通过数学模型求测点矢量
• 3.5 测头半径补偿对测量误差的影响
• 3.5.1 测头的选择
• 3.5.2 测头半径补偿误差
• 3.6 测量人员操作水平对测量误差的影响
• 3.6.1 手动测量误差
• 3.6.2 实现三坐标自动测量
• 3.7 本章小节
• 第四章 已知CAD 模型的曲面测量及仿真
• 4.1 引言
• 4.2 三平面法与最小二乘法建立工件坐标系
• 4.2.1 工件坐标系建立过程
• 4.2.2 叶片检测中工件坐标系的建立
• 4.3 测点自适应分布
• 4.3.1 测点数确定
• 4.3.2 曲率差值法实现测点自适应分布
• 4.3.3 直线夹角法实现测点自适应分布
• 4.4 沿矢量方向进行路径规划与半径补偿
• 4.4.1 沿矢量方向规划测量路径
• 4.4.2 沿矢量方向补偿测头半径
• 4.5 测量仿真
• 4.5.1 仿真方法研究
• 4.5.2 最小二乘法实现初始坐标系的变换
• 4.5.3 实现测点自适应分布
• 4.5.4 测量路径仿真检验
• 4.5.5 避障点设置
• 4.5.6 DMIS 程序生成
• 4.5.7 三坐标测量数据读取
• 4.5.8 测量误差评定
• 4.6 本章小结
• 第五章 未知CAD 模型的曲面测量及仿真
• 5.1 引言
• 5.2 测量规划
• 5.3 圆弧切线法预测后续测量点及矢量
• 5.3.1 曲率差值原理
• 5.3.2 直线夹角原理
• 5.3.3 初始点与终止点判断
• 5.4 二次测量法
• 5.4.1 连续扫描测量
• 5.4.2 点位触发测量
• 5.5 测量仿真
• 5.5.1 预测后续测量点及矢量
• 5.5.2 路径仿真
• 5.5.3 二次测量
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作和贡献
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文