基于圆环滚轮测头的自由曲面测量理论与应用技术研究

论文摘要

自由曲面在航空、航天、汽车、机床甚至服装、工艺品等制造行业都有广泛的应用，而对自由曲面的测量一直是实现自由曲面零件设计制造与形状检测的关键步骤。目前的曲面测量技术按测量方式主要分两种：接触式测量和非接触式测量。接触式测量普遍采用球形测头断续扫描方法测量曲面，效率较低，并且不宜实现在线及在机测量。非接触式扫描测量方法一般使用激光测量，具有较高的测量速度，但由于测量过程是利用光学方法进行的，因而表面全黑或反光的物体都不适合于这种方法。而且非接触式测量设备价格昂贵，工作的可靠性和稳定程度受加工飞屑及冷却液等因素影响。为此，本文提出利用圆环形滚轮测头对回转类复杂曲面进行测量，从而在一定程度上弥补了传统测量方法中的一些不足。本文利用滚轮测头在被测曲面上连续滚动进行密集采样，避免了接触式测量里接触式球形测头断续测量速度慢和非接触式激光测量过程精度受切削液等污物影响以及成本高等方面的问题。文中提出了基于圆环滚轮测头的自由曲面测量理论，得到了利用圆环形滚轮测头对回转类自由曲面进行测量的逆向工程算法。应用微分思想把接触测量时的曲面与曲面问题转化为曲面与平面问题来研究。根据这一测量理论建立反求被测曲面廓形数据点的数学模型及算法，将滚轮中心点数据转化为工件表面廓形数据，并在理论上验证了该数学模型和算法的正确性及可行性。此方法把曲面测量转化为曲线测量，简化了对测量数据的处理过程，从而大大提高了测量效率。另外，进行了测量系统和实验装置的设计，并选用了合适的测量系统硬件平台，通过计算实例对该测量方法进行验证、分析。本课题是现有测量方法的补充，可使部分原来不易实现快速测量的曲面类零件实现快速测量及在线、在机测量，将为复杂曲面制造技术的发展起到积极的促进作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 曲面测量技术研究概况
• 1.3 课题的背景及提出
• 1.4 课题主要内容
• 1.5 课题的目的及意义
• 2 自由曲面数字化测量
• 2.1 自由曲面测量的三种模式
• 2.2 典型测量方法
• 2.2.1 非接触式测量
• 2.2.2 接触式测量
• 2.3 圆环滚轮式测头的自由曲面测量
• 3 基于圆环滚轮测头的自由曲面测量理论
• 3.1 圆环滚轮连续测量的理论基础
• 3.1.1 采样定理
• 3.1.2 数据采集方法
• 3.2 测量理论
• 3.2.1 测量过程
• 3.2.2 测量原理
• 3.3 理论验证
• 4 圆环滚轮连续测量的数学模型建立
• 4.1 常用的函数插值方法
• 4.2 常用的数值微分方法
• 4.2.1 中点方法
• 4.2.2 插值型的求导公式
• 4.3 数学模型的建立
• 4.4 程序设计
• 4.4.1 运行环境
• 4.4.2 程序编制
• 4.5 计算实例
• 4.6 数据处理分析
• 5 圆环滚轮测量系统设计
• 5.1 测量装置设计
• 5.1.1 凸轮机构
• 5.1.2 设计方案
• 5.1.3 设计过程
• 5.2 测量系统的硬件平台
• 5.2.1 开放式数控系统
• 5.2.2 基于PMAC的数据采集模块
• 6 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢