复杂曲面零件精密检测与误差补偿技术研究

摘要

随着制造业技术和装备的不断进步，对复杂零件/产品的精度、效率、质量和外观要求愈来愈高。在复杂曲面零件的生产过程中，需要用相应的检测技术对其加工精度进行检测和控制。基于三坐标测量机(CMM)的检测技术常用于精密零件的形位精度检测，但具有工件二次装夹定位误差问题及大型零件测量的局限性问题。在数控机床上直接进行加工精度的在线检测，形成“加工-测量-补偿”的闭环加工检测系统，是近年来国内外研究领域的研究热点。本文针对目前复杂曲面零件精密在线检测中存在的难点问题，深入开展测点规划、检测数据的误差补偿、加工误差分解和补偿等关键技术研究，以期通过在线检测与原位补偿加工，提高曲面零件的加工精度。本文的主要内容包括以下几个方面:
　　(1)深入调研复杂曲面零件精密检测技术和误差补偿方法的研究现状，对现有检测系统、检测方法以及误差补偿方法进行综述分析，并指出该领域仍然存在的难点问题。
　　(2)在曲面零件的测点规划上，针对三角网格模型存在的数据冗余及三角面片间的独立性问题，建立三角面片之间的拓扑关系，实现整个模型的拓扑重建;提出直接求交法和中点偏移抛物线法的截面线生成法，逼近原曲面模型，并通过非均匀B样条反求算法，生成按曲率变化分布的测量点。
　　(3)分析影响接触式检测系统检测精度的各项因素及其误差补偿方法。对测量系统的主要误差来源如机床几何误差、测头预行程误差和测头半径误差进行分析研究，在对数控机床的几何误差进行分析和建模的基础上，通过激光干涉仪进行三轴数控机床的单项误差测量和补偿;针对测头测量过程中的预行程误差，提出基于径向基函数(RBF)的预行程误差预测方法，获得测头预行程误差分布图，并对测量系统进行实时预行程误差的补偿;提出改进的三角网格模型的顶点法矢计算方法，进行三维测头的半径补偿。
　　(4)针对曲面零件的加工精度检测结果及误差情况，提出基于零件加工精度的原位补偿加工方法，以补偿曲面零件的加工误差，提高曲面零件一次定位加工精度。为此，在曲面检测数据分析基础上，提出基于空间统计分析方法的加工误差分解方法，构造基于B样条曲面的确定性曲面和回归分析模型，通过空间独立性分析，进行加工过程的系统误差与随机误差分析，进而对分离出的系统误差进行数控代码补偿和原位补偿加工，大幅提高曲面的加工精度。
　　(5)针对原位补偿加工过程中误差大小和分布的不同，提出加工误差的局域自适应补偿加工方法，以提高曲面零件的补偿加工效率。通过局部区域误差补偿加工中的区域边界确定、刀位点判断和局域刀具路径生成等关键技术研究，实现局域误差的原位补偿加工。
　　(6)在上述研究的基础上，采用VC++6.0软件开发平台和OpenGL三维图形接口，开发一套面向复杂曲面零件加工精度在线检测与原位误差补偿加工的集成化系统，并通过一系列曲面零件的数控加工、在线检测及原位补偿等过程的实验验证，验证本文所提出的各类算法和检测系统的有效性。实验中，采用标准件进行检测系统精度的验证，同时通过若干自由曲面零件的加工、测量、原位补偿加工过程，对零件的加工精度进行误差补偿前后的验证，并最终与CMM的检测结果进行对比，验证本论文所开发系统的实用性。
　　最后，本文给出全文总结，并指出复杂曲面零件在线检测技术研究中需进一步解决的若干问题。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 在线检测系统与测量方法的国内外研究现状

1．3 在线检测误差补偿方法的国内外研究现状

1．4 复杂曲面精密检测和误差补偿技术中存在的问题

1．5 课题来源

1．6 本文的主要研究内容

第二章 基于三角网格模型的在线检测系统测点规划

2．1 引言

2．2 三角网格模型的拓扑重建方法

2．2．1 三角网格模型的特点及缺陷

2．2．2 三角网格模型的拓扑重建方法

2．3 测量过程的测点数确定

2．4 曲面测量的截面线生成

2．4．1 基于截面线法的测量原理

2．4．2 网格模型的截面线生成

2．5 基于截面线曲率变化的测点自适应规划

2．5．1 基于截面线曲率变化的测点自适应生成

2．5．2 测点规划的实现步骤与实例验证

2．6 本章小结

第三章 在线检测系统的精度影响因素及其补偿方法

3．1 在线检测系统的精度影响因素

3．2 三轴数控机床的几何误差建模

3．2．1 三轴数控机床的几何误差定义

3．2．2 三轴数控机床的几何误差检测方法

3．3 测头预行程误差分析

3．3．1 触发式测头的工作原理

3．3．2 测头预行程误差的产生

3．3．3 预行程误差的获取方法

3．4 基于正则化径向基(RBF)的预行程误差预测模型

3．4．1 正则化径向基(RBF)网络原理

3．4．2 基于正则化径向基(RBF)的预行程误差预测建模

3．4．3 预行程误差预测模型的验证

3．5 测头半径补偿

3．5．1 测头半径补偿原理

3．5．2 网格顶点法矢的计算

3．5．3 触测点法矢的计算

3．6 在线检测的误差补偿实现

3．7 本章小结

第四章 基于空间统计分析的检测系统误差分解方法

4．1 复杂曲面加工误差描述和分类

4．1．1 基准互换原理

4．1．2 曲面零件加工误差的计算与组成

4．2 基于空间统计分析的加工误差分析

4．2．1 空间统计分析基本原理

4．2．2 加工误差的空间独立性分析

4．3 基于空间统计法的加工误差分解方法

4．3．1 确定性曲面的定义

4．3．2 确定性曲面的表达

4．3．3 回归模型的参数估计方法

4．3．4 判断残差的空间独立性

4．4 误差分解的仿真计算

4．5 本章小结

第五章 曲面零件加工误差的原位自适应补偿方法

5．1 引言

5．2 加工误差原位补偿方法

5．2．1 刀具路径的修改

5．2．2 NC程序的修改

5．3 局域自适应补偿加工概念

5．4 局域自适应补偿加工的实现方法

5．4．1 确定局部补偿区域

5．4．2 判断刀位点是否于局部补偿区域内

5．4．3 生成局部的刀具路径

5．4．4 局域自适应补偿加工仿真实例

5．5 本章小结

第六章 集成化在线检测与误差补偿系统的开发及其实验验证

6．1 在线检测系统的开发

6．1．1 在线检测的实现原理

6．1．2 检测系统的功能模块

6．1．3 检测系统的总体结构

6．2 在线检测过程的实验平台搭建

6．3 在线检测系统的检测精度

6．3．1 标准量块的检测精度

6．3．2 标准环规的检测精度

6．3．3 标准球的检测精度

6．4 曲面零件加工精度检测的实验验证

6．4．1 曲面零件1的精度检测

6．4．2 曲面零件2的精度检测

6．5 曲面加工误差分解和原位误差补偿加工的实验验证

6．5．1 曲面零件3的加工误差分解和补偿

6．5．2 曲面零件4的加工误差分解和补偿

6．5．3 曲面零件5的加工误差分解和补偿

6．6 本章小结

结论与展望

参考文献

声明

攻读学位期间的论文及项目

致谢