大型螺旋桨高效测量及余量自适应分配技术研究

摘要

螺旋桨是船舶推进器的核心元件，其制造品质的优劣对舰船隐蔽性、动力性能和稳定性能影响巨大。国内螺旋桨制造水平与国际先进水平还存在一定差距，具体表现在铸造、检测、加工等多个领域。其中，螺旋桨的检测工作贯穿于整个制造过程，是连接铸造与加工的中间桥梁，也是保证产品质量的重要基础。然而，越来越多的制造厂家意识到现有的“螺距规+卡钳”的手工测量方法、传统的测量数据处理方法在检测效率与检测精度等方面越来越难以满足各大船厂日益增长的螺旋桨精度需求，落后的检测技术已经成为制约大型螺旋桨高效、高精制造的源头性因素。
　　激光测量作为极具发展前景的非接触式测量方法已经被广泛用于解决各类几何信息的测量问题，具有测量速度快、信息量大、自动化程度高等显著优点。但是在实际测量过程中同样具有一些弊端，其中最为主要的是其测量精度非常容易受到物体表面几何形状的影响。实现大型螺旋桨高效、高精激光自动化测量面临三个主要难题:①传统的“螺距规+卡钳”的测量工艺已经非常成熟，应用激光传感器的大型螺旋桨检测工艺与专用装备尚属空白；②螺旋桨桨叶属于典型的自由曲面，激光传感器的测量精度势必受到被测表面几何形状的影响；③螺旋桨毛坯模型的调整及匹配问题非常复杂，目前仅能依靠人工经验完成，缺乏开发自动化算法的理论基础。本文旨在针对上述问题，在检测工艺、激光测量精度保持算法、模型分析及匹配算法等方面做一些研究和探索，建立一套用于大型螺旋桨高效检测的完整的理论和方法体系，实现螺旋桨高效、高精、智能化检测。
　　首先，研究了大型螺旋桨完整的制造工艺，总结出螺旋桨在各个生产阶段的检测需求和检测工况，提炼出大型螺旋桨激光检测过程中的关键技术。对照国际标准，结合国内螺旋桨制造现状，提出基于激光测量技术及曲面造型技术的大型螺旋桨智能化检测方案，为后续大型螺旋桨激光检测关键技术的研究奠定了理论基础。
　　其次，针对自由曲面激光测量精度问题展开深入研究，提出了基于激光传感器空间位姿的自由曲面测量误差补偿模型。利用“测量距离h”、“测量入射角α”、“测量方位角φ”三个参数描述激光传感器相对于被测点的空间位姿，设计精确测量实验研究各参数的变化对激光测量精度的影响，在实验研究的基础上，利用几何光学与辐射度学的相关理论，建立基于激光传感器空间位姿的曲面测量误差模型，提高自由曲面激光测量精度。
　　第三，提出了一种大型螺旋桨毛坯余量自适应分配方法。针对大量的螺旋桨毛坯铸造过程中局部变形过大而难以适应标准设计模型的制造难题，提出了一种螺旋桨毛坯加工余量自适应分配算法，算法中分析了各个建模参数（桨叶间倾、纵倾、夹角、螺距等）的相互影响关系，在多参数约束条件下对标准设计模型进行自动调整以适应螺旋桨毛坯的实际情况。标准设计模型自适应调整完成后将毛坯模型与调整后的设计模型进行最优化匹配，依据实际制造工艺合理简化了最优变换矩阵并利用L-BFGS-B算法进行求解。
　　最后，在关键技术研究的基础上，构建了一套以激光测量为数据源的大型定距桨数字化检测系统。设计了专用的机械结构，实现螺旋桨“叶面”、“叶背”同步测量，解决了传统人工测量时“叶厚”无法精确测量的问题。开发了专用的软件系统，实现了螺旋桨参数化建模，测量路径规划，以及测量数据分析等功能，将各项关键技术的研究成果集成在软件系统的各个模块之中。
　　总体而言，本文建立了一套用于大型螺旋桨高效检测的完整的理论和方法体系，相对应的研发了一套用于大型螺旋桨测量的激光智能检测系统。提出了一套符合国际标准的、制造企业认可的大型螺旋桨激光检测工艺，提出了一种用于补偿自由曲面激光测量误差的精度模型，提出了一种用于螺旋桨毛坯模型加工余量自适应分配算法。解决了大型螺旋桨测量效率低、测量精度不可靠、测量结果难分析的问题，实现了大型螺旋桨的智能化测量。本文所取得的研究成果对提高大型螺旋桨制造水平具有积极意义。

目录

声明

1 绪论

1.1课题的来源

1.2课题概述

1.3相关研究内容国内外发展综述

1.4论文的主要工作

2 大型螺旋桨激光检测工艺分析

2.1引言

2.2螺旋桨叶片简介及参数定义

2.3螺旋桨激光检测工艺分析

2.4本章小结

3 基于激光传感器空间位姿的自由曲面测量误差建模

3.1引言

3.2激光三角法测量原理

3.3激光测量精度影响因素分析

3.4基于激光传感器空间位姿的自由曲面测量误差建模

3.5实验验证及结果分析

3.6本章小结

4 基于多参数约束的螺旋桨毛坯加工余量自适应分配

4.1引言

4.2基于多参数约束的螺旋桨标准设计模型调整算法

4.3基于L-BFGS-B方法的螺旋桨模型匹配

4.4计算实例

4.5本章小结

5 大型螺旋桨激光检测系统开发与实现

5.1引言

5.2系统工作原理

5.3测量系统的硬件组成

5.4测量系统的软件组成

5.5应用实例

5.6本章小结

6 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录：攻读博士学位期间发表的学术论文目录