基于三坐标测量机的复杂曲面检测技术研究

摘要

工件应用到实际工程前,需要经历严格检测过程。在正确实施检测之前对零件制定合理有效的检测规划极其重要。传统的手工检测方法非常耗时,而且准确性、一致性难以得到保证。随着计算机技术的发展,融合多种技术的先进制造技术得到广泛运用,对检测的快速性,高精度,自动化,智能化的要求也随之提高。由于国内普遍适用的三坐标测量机检测技术存在较大的局限性,本文旨在设计一套复杂曲面的检测系统,以提高检测效率。工件的实际误差由它的几个主要点所决定。而工件表面由无数个点组成,三坐标测量机却只能测量离散的点集,所以如何选取有限个数的点,使得测出的点集含有工件的关键点或者尽可能的接近关键点,是检测规划中的一个重要环节。
　　本研究针对这个问题，利用克里金模型的辨识预测估计能力设计一套采点策略,将其运用到三坐标测量机下的工件检测中,来完成采样点位置规划。由于克里金模型能估算出偏离样本点集最大的点位置,所以在工件表面预先测量部分点,根据这些已经测量的点作为样本点集估计出偏离最大的点位置,并在此位置进行一次实际测量。接着充分利用已经测得的采样点的信息,逐步扩充克里金模型的样本点集,重复执行上面步骤即可完成测量点位置的规划。为规划测量点的数量,根据工件的公差设计要求,计算拟合曲面落入公差带内的概率,结合测量点偏离其高度平均值的置信区间,获得测量点的数量与公差带的关系。针对接触式测头记录的是测头球心的坐标,对其作出半径补偿。
　　本文针对接触式测头进行了免碰撞分析。接触式测头需要与工件发生实际接触,一旦测头方向的选取不合理,使得测头和工件发生碰撞,将会使得测头损坏。以前的很多方法都是适合用在平坦面上或者一些具有特殊几何特征的工件上，这样大大限制了它们的应用。本文采用STL(Stereolithography)模型来逼近工件的CAD模型,将复杂工件转换为一系列的三角面片,从而使得提出的方法能适用于各种工件。尽管面的数量增加了,但是这些新的面都是三角面,非常的容易识别与分析。在采用工件STL模型的基础上，对被测点的半开空间进行切分,并将切分的空间组成二叉树结构形式,这样能大大节省排查碰撞的时间。为了减少在实际测量中测头方向的变化,采用可行矩阵来优化被测点的组合及其测量角度。接着对定位算法进行循环优化。优化过程中,在仍旧采用牛顿法求解对应点的基础上，先等价变换定位算法的目标函数,然后分步进行参数求解。在每次迭代中将能得到各个参数的封闭解,从而避免进行线性化。

目录

基于三坐标测量机的复杂曲面检测技术研究

AN INSPECTION ON COMPLICATED SURFACE INSPECTION BASED ON COORDINATE MEASURING MACHINES

摘 要

ABSTRACT

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题背景

1.2 三坐标测量机检测技术的概述

1.2.1 检测过程

1.2.2 三坐标测量机的发展

1.3 国内外相关领域的研究进展

1.3.1 数据采集方法

1.3.2 接触式测量技术

1.3.3 测量中的采点策略

1.4 本文的研究内容

1.4.1 研究任务分析

1.4.2 本文的组织结构

第 2 章 基于克里金模型的采点策略

2.1 点集规划问题分析

2.1.1 点集规划问题阐述

2.1.2 点集规划的其它应用

2.2 基于克里金模型的采点策略

2.2.1 克里金模型

2.2.2 采点位置规划

2.2.3 采点数目规划

2.3 接触式测头的半径补偿

2.4 仿真结果

2.4.1 直线度仿真

2.4.2 圆度仿真

2.5 实验结果

2.6 小结

第 3 章 测量免碰撞分析

3.1 2D测头的特性

3.2 免碰撞分析

3.2.1 局部可测锥分析

3.2.2 全局可测锥分析

3.3 测量点集的组合优化

3.4 检测系统的设计与集成

3.4.1 测量系统的硬件设计

3.4.2 测量系统的软件设计

3.4.3 自动测量方法

3.5 实验结果

3.6 小结

第 4 章 定位算法的循环优化

4.1 定位的数学理论

4.1.1 刚体运动

4.1.2 定位的数学模型

4.2 定位算法

4.2.1 接触式测量数据的处理

4.2.2 计算相应点

4.2.3 求解转移矩阵

4.3 定位算法的优化

4.4 仿真结果

4.4.1 计算精度比较

4.4.2 计算效率比较

4.4.3 初值条件的鲁棒性比较

4.5 实验结果

4.6 小结

结论

参考文献

附录 A 实验1测量数据（p=2）

附录 B 实验1测量数据（p=1）

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

个人简历