大型零件在机接触式跟踪扫描测量方法及关键技术

摘要

在国防、航空航天、能源、运载等重大工程领域中普遍存在一类大型关键零部件，其加工难度大、性能要求高，制造质量成为制约装备整体性能的关键要素。此类零件通常具有空间尺寸大、刚度低、形状不规则等特征，导致其加工变形难以得到有效控制，最终加工形貌呈个性化特征。若利用原始理论设计廓形进行常规数控加工难以满足零件制造精度与性能要求。利用在机接触式跟踪扫描测量技术，构建测量-加工一体化制造系统，成为保障该类零件制造精度及提高制造效率的一种有效手段。然而目前尚存在制约在机接触式跟踪扫描测量精度与效率进一步提升的关键问题。本文依托国家自然科学基金重点基金《多源约束面形再设计类复杂曲面零件的加工理论与技术》、装备预研基金重点基金《×××精密加工技术基础研究》，结合中国运载火箭技术研究院委托项目，针对大型零件精密、高效在机接触式跟踪扫描测量中的关键问题，开展在机接触式跟踪扫描测量方法及关键技术研究，论文研究内容包括如下方面:
　　针对三维扫描测头非线性及准正交互耦效应对测头探测精度产生的不利影响，分析正交三维模拟测头传感器非线性误差及导向机构形变误差，量化平行簧片机构寄生转角与寄生位移对测量精度产生的影响，探究测头准正交互耦效应的成因，并以DIGIT-03型模拟扫描测头为例进行独立非线性校准，在此基础上实验观察测头准正交互耦效应，并提出三维扫描测头准正交互耦效应消减算法。
　　针对在机接触式跟踪扫描测量系统强实时要求、多迟滞环节、大环路负反馈随动控制特性，建立包含驱动器、机械结构、检测信号、采样延迟、量化误差、干扰噪声及非线性摩擦的跟踪扫描随动控制系统全局模型，给出跟踪扫描随动控制模型参数辨识方法，进而对控制系统动态特性进行了全局分析、揭示各干扰因素对随动系统动态响应性能的影响规律。
　　为提高跟踪扫描随动动态响应性能，研究跟踪扫描测量系统随动控制算法。在传统数控机床伺服轴控制算法基础上，结合跟踪扫描随动控制模型，引入卡尔曼滤波器对随动轴位置、速度及干扰噪声进行预测，基于极点配置控制器调整状态反馈增益进而改变闭环控制极点的预设自然频率与阻尼比，通过前馈零相位误差跟踪控制技术优化随动系统带宽，根据摩擦力辨识值进行前馈摩擦力补偿，降低随动轴频繁启停、跟踪换向时因摩擦力瞬变引起的跟踪延迟。
　　为克服零件触测面几何与摩擦力特征对跟踪扫描速度及稳定性产生的不利影响，提出一种基于人工小脑模型控制器的跟踪扫描速度智能规划及触测面摩擦动态补偿控制策略，设计被测曲面几何特征与摩擦力特征的识别与量化算法，制定针对跟踪扫描测量的人工小脑模型控制器空间映射结构以及学习算法，根据空间邻域特征（包括几何特征与摩擦力特征）自动预测触测区域模型表面特征，实现跟踪扫描速度的智能规划与摩擦力动态补偿。
　　针对现有在机点云数据精简方法的不足，提出一种基于双Akima样条插值技术的三维空间点云数据在线精简算法。算法利用双Akima样条拟合连接精简点云记录点，并以拟合曲线至原始采样点最大距离与预设逼近误差间的量值关系作为采样点取舍标准。其精简数据可直接用于数据后处理与直接数控加工，可保证预设逼近误差、提高数据精简效率，并实现非二维截面线的空间点云数据压缩。
　　最后以商用开放式数控系统作为控制平台研制大型零件在机跟踪扫描测量系统，成功应用于CZ-3A运载火箭燃料贮箱大型共底构件的高效、高可靠性数字化配对加工，为我国航天事业发展做出积极贡献。