基于准CAD模型的CMM自动测量技术研究

论文摘要

三坐标测量机CMM （Coordinate Measuring Machine）以其独特的测量方式,满足对形状误差和位置误差等众多加工参数测量的要求,随着计算机数控化开发,使得CMM测量自动化成为现实。在安排CMM测量路径时,根据被测曲面特征,将曲面分为已知数学模型和未知数学模型的曲面。前者易于实现CMM的自动测量规划,操作相对成熟和稳定,而后者操作比较困难,测量误差比较大。本文以未知模型曲面的CMM测量为研究重点,提出采用准CAD模型规划CMM测量路径。根据激光扫描仪测量速度快,测量方便等优点,采用激光扫描仪采集数据,通过对测量数据进行数据拼合、数据处理、坐标系建立等操作,建立准CAD模型,以准CAD模型为连接纽带,用于解决未知模型曲面难于安排CMM测量路径的难题。本论文首先分析CMM的系统误差:即机械结构误差、温度误差、探头探测误差、软件算法误差和测量误差等五个方面;分析CMM的系统参数设置:即探针的选择、探测距离的设置,探针旋转角度的设置、探针运动速度四个方面对精度的影响。采用三点共圆理论选用适合的探针。对三坐标测量机的路径规划提出五点建议,其中针对物体对称性和重叠性的特点,以叶轮为例,阐述采用对称性进行CMM路径规划的优越性。其次分析激光扫描仪的系统误差:即机械系统误差、标定误差、光学系统误差、系统拼合误差等四个方面;分析激光扫描仪系统参数设置对精度的影响。通过分析和试验验证,确定了倾斜角度和工件焦距设置位置这两个影响测量误差的主要因素,以此为输入样本,建立BP神经网络模型,实现测量误差的软件补偿。试验证明,此方法在很大的程度上对误差进行补偿,提高了测量精度。在分析现有CMM测量路径算法的基础上,根据准CAD模型特点,本文提出基于准CAD模型的矢量相似淘汰算法,此算法是根据测量邻近点之间的曲率变化关系,优化测量点,规划CMM测量路径。以VC++6.0为平台,建立DMIS程序仿真检验平台。试验证明,经过仿真检验平台检验调试的DMIS程序,可以直接运用到CMM测量中,并取得了良好的测量效果。本文在研究国内外叶片测量现状的基础上,针对未知模型叶片,采用准CAD模型安排CMM路径规划,与传统测量方式相比,此方式提高了测量效率和测量精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 三维测量技术
• 1.1.1 三维测量技术的分类
• 1.1.2 三维测量技术的测量特点
• 1.1.3 三维测量技术的运用
• 1.2 三维测量技术的研究现状
• 1.2.1 三维测量规划的研究现状
• 1.2.2 三维数据误差修正的研究现状
• 1.3 课题背景和主要研究内容
• 1.3.1 本课题的研究背景
• 1.3.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 CMM 测量技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 三坐标测量机的工作原理
• 2.3 三坐标测量机的系统误差分析
• 2.3.1 机械结构误差
• 2.3.2 温度误差
• 2.3.3 探头探测误差
• 2.3.4 软件算法误差
• 2.3.5 测量方法误差
• 2.4 三坐标测量机系统参数设置
• 2.4.1 探针的选择
• 2.4.2 探测距离的设置
• 2.4.3 探针运动速度
• 2.4.4 探针旋转角度的设置
• 2.5 探针的选择
• 2.5.1 探针参数设置的正交试验
• 2.5.2 三点共圆的探头半径选择算法
• 2.6 三坐标测量机测量路径规划
• 2.6.1 测量坐标系统一
• 2.6.2 将规则部分和不规则部分分开
• 2.6.3 表面孔域补凸后再进行测量
• 2.6.4 检测点的分布
• 2.6.5 物体的对称性和重叠性
• 2.7 本章小结
• 第三章 激光扫描仪测量技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 激光扫描仪的工作原理
• 3.3 激光扫描仪的系统误差
• 3.3.1 机械系统误差
• 3.3.2 标定误差
• 3.3.3 光学系统误差
• 3.3.4 系统拼合误差
• 3.4 激光扫描仪系统参数设置
• 3.4.1 倾斜角度的影响
• 3.4.2 工件的焦距设置位置
• 3.4.3 激光强度对误差的影响
• 3.4.4 表面显像剂对精度的影响
• 3.4.5 扫描间距对精度的影响
• 3.5 BP 算法的误差补偿
• 3.6 激光扫描仪测量路径规划
• 3.7 本章小结
• 第四章 准CAD 模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 准CAD 模型的建立流程
• 4.3 数据采集
• 4.4 数据拼合
• 4.5 数据处理
• 4.5.1 异常点处理
• 4.5.2 数据平滑
• 4.5.3 数据精简
• 4.6 坐标系建立
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于准CAD 模型的CMM 自动测量
• 5.1 引言
• 5.2 CMM 测量模式
• 5.2.1 联机编程
• 5.2.2 脱机编程
• 5.2.3 自动编程
• 5.3 DMIS 程序
• 5.3.1 DMIS 程序主单元
• 5.3.2 DMIS 程序子单元
• 5.4 CMM 测量路径规划的基本要求
• 5.5 基于准CAD 模型的CMM 检测路径参数设置
• 5.5.1 触测矢量的算法
• 5.5.2 矢量淘汰算法确定测量点
• 5.5.3 定位点的确定
• 5.5.4 安全点的确定
• 5.6 CMM 自动测量模拟仿真流程
• 5.7 CMM 自动测量结果分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 汽轮机叶片叶型的CMM 自动测量
• 6.1 引言
• 6.2 叶型测量原理
• 6.3 叶型的国内外测量
• 6.3.1 标准样模法
• 6.3.2 投影仪测量法
• 6.3.3 叶片自动绘图测量法
• 6.3.4 三坐标测量机测量法
• 6.4 未知模型叶片的CMM 自动测量
• 6.4.1 叶片仿真测量实例
• 6.4.2 基于准CAD 模型的CMM 自动测量结果分析
• 6.5 本章小节
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作和贡献
• 7.1.1 论文的主要工作
• 7.1.2 论文的创新点
• 7.1.3 论文存在的不足
• 7.2 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