模鍛葉片快速測量及誤差分析方法研究

來源: www.1081492.live 發布時間:2018-07-23 論文字數:39475字
論文編號: sb2018071918404422149 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇在職碩士論文,近兩年,專業碩士教育發展勢頭迅猛,不再是MBA一枝獨秀,工程碩士、教育碩士、法律碩士等開始成為在職人士深造的熱門方向。
本文是一篇在職碩士論文,近兩年,專業碩士教育發展勢頭迅猛,不再是MBA一枝獨秀,工程碩士、教育碩士、法律碩士等開始成為在職人士深造的熱門方向。專業學位教育主要培養理論與實踐相結合的高層次職業人才。其要求報考者有一定年限的工作經歷,絕大多數專業碩士還要求在職人員報考需經所在單位或相應管理部門的同意,有的甚至要求所在單位推薦。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇在職碩士論文,供大家參考。
 
1 緒論
 
1.1 課題來源
本課題來源于:(1) 國家自然科學基金項目“葉片型面機器人磨拋加工機理及工藝技術研究”(項目號:51375196)。(2) 華中科技大學無錫研究院與無錫透平葉片廠校企合作項目“模鍛葉片檢測及分析軟件研發”。
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1.2 課題研究目的及意義
無錫透平葉片廠擁有國內一流的葉片加工技術與加工設備。首先,采用精密鍛壓成型技術,鍛壓葉片坯料使其成型;然后,應用五軸五聯動數控加工中心、四軸四聯動數控加工中心等尖端設備,使用專用軟件,采用數控加工技術對葉片型面進行精密加工成型;接著,使用專用輔助設備,采用強力磨削技術精密加工成型,并應用三坐標測量機借助專用測量軟件對葉片制造精度進行現場檢測;最后,利用其擁有的全套葉片表面處理技術,根據客戶需求可以對葉片進行表面處理。本研究的檢測對象是由坯料經過鍛壓成型粗加工后的模鍛葉片。對鍛壓后的的葉片進行檢測判斷其是否滿足技術要求,根據鍛壓技術指標剔除不合格的鍛件;同時求取葉片的截面的欠壓量與錯模量,衡量該葉片的整體欠壓量與錯模量;在完成一個批次的所有葉片的欠壓量與錯模量后,對所有數據進行統計,獲得鍛模的合模誤差,從而實現對鍛模的調整、降低誤差、提高良品率,進一步地,可以減少鍛件的設計余量,降低加工成本。經鍛壓后的葉片溫度高達數百度,待其完全冷卻到室溫的時間過長。為了保證葉片生產效率,及避免設備折舊造成的成本增加,又由于本檢測工位對檢測精度的要求比終檢低,因此在熱態完成葉片檢測是必要的也是可能的。檢測過程中隨著葉片溫度的下降,葉片的形狀尺寸隨之變化,為了保證測量過程中測量數據的一致性,需要測量測量過程快速完成。
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2 葉片非接觸測量方案選擇
 
過去多使用三坐標測量機[21-23]進行接觸式測量。測量頭在接觸熱態鍛件時導致測量頭損傷的概率較大,并且由于熱態金屬表面易變形,測量頭在接觸過程中會造成局部形變導致測量誤差,接觸式測量手段同時還有著掃描測量速度過慢的弊病,導致測量過程中測量數據一致性較低。對模鍛葉片進行截面分析時,軟件需求方目前采用的是標準樣模法,同時標準樣模法也是國內外葉片加工測量領域應用最為廣泛的檢測手段之一。在檢測過程中,將標準樣模與待測的特征截面互相靠攏,根據目視標準樣模和待測截面之間的透光量估計對應型線的誤差[1]。雖然標準樣模法測量成本低,但是它無法定量求取誤差數值,并且有測量結果不穩定的弊端。因此該方法也達不到前文所述的檢測目標。各種接觸式測量手段應用于本實例時都有其局限性,因此對一種非接觸的快速檢測手段提出了需求[24-28]。本章將從測量數據采集手段出發確定檢測手段,并對采集到的數據進行預處理,完成自動化的數據采集。
 
2.1 葉片型面測量數據采集
目前市面上銷售的非接觸式掃描儀按照測量機制分為兩種:(1)基于激光測距機制的掃描儀,例如 FARO 公司的掃描儀 X 330、X130 等;(2)基于視覺成像機制的掃描儀,例如形創公司的 Handy Scan 系列產品、博爾科曼公司的 StereoScan 系列產品、ATOS 公司的藍光掃描儀等。常用的激光測距法測量設備有:(1)Leica ScanStation 2 掃描儀,結合工件旋轉 3次,每次 120 度,測量距離為 15-20m,測量結果最大誤差為 8mm;(2)LaCam – Forge系統,控制與精度較高;(3)Top – Scan 測量系統,精度為±5mm,測量范圍最大 7000mm;(4)Faro 掃描儀。以 Faro 掃描儀為例,激光測距法原理:三維掃描儀通過非接觸式高速激光掃描測量,以陣列式點云的形式獲取地形或復雜物體表面的三維空間數據[29]。掃描儀工作區域:水平 360°,垂直 300°,掃描半徑 0.2m-330m,如圖 2-1。測量速度可以設定為122000-976000 點/秒,測距誤差最大為±2mm,測量平面獲得點集的標準偏差為0.15mm-0.5mm。
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2.2 點云數據預處理
在使用掃描儀獲取數據后,需要將掃描數據與理論模型數據進行轉換,以獲得模鍛葉片分析軟件可以處理的數據類型。獲得了表面點云數據后,掃描儀系統會利用點云數據對模型進行曲面重構,獲得被掃描鍛造葉片的片體模型。模型重建有兩種思路,一是在測量點曲線擬合的基礎上,通過曲面造型算法完成曲面(曲面片)的重構;二是直接對測量數據擬合,生成曲面(曲面片)[35],在此基礎上對面片及連接面片的節點進行簡化,完成最終的網格化多面體模型,如圖 2-11 所示。第一種處理方法多用于處理數據量不大、且數據呈有序排列的情況。將掃描儀采集獲得的模型在 Geomagic Qualify 中轉換為 STL 格式的網格化點云模型,網格化點云模型是一種以三角片體為基本單位按照一定的誤差要求擬合工件表面后獲得的殼體模型,這種模型的基本存儲元素有點、邊、片體。每個點中可以存儲的信息有:點的坐標值及點的法向方向,點法向為模型曲面在該點的法向方向,一般指向模型的外側。每個邊中可以存儲的信息有:以點為存儲單元,存儲每條邊的兩端點信息;每個三角片體元素中可以存儲的信息有:以點為單元存儲三角片體三個角點;以邊為單元存儲三角片體三條邊;三角片體的法向,面的法向可以指向面的任意邊,在 STL模型中,三角片體的法向一般指向模型的外側。借助 Geomagic Qualify 中“CAD”選項卡中的“轉為多邊形”功能,將 IGS 格式的理論模型轉換為 STL 格式的網格化點云模型。
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3葉片配準算法研究
3.1 配準方法概述............ 20
3.2 基于 Dijkstra 算法的標記孔節點提取算法..... 24
3.3 SVD 算法求解配準矩陣...... 32
3.4 基于手動選點的兩步配準法........ 34
3.5 算法實驗.......... 35
3.6 本章小結.......... 43
4葉片截面數據處理算法研究
4.1 截面分析方法概述.... 47
4.2 一種優化的截面數據分割方法.... 48
4.3 基于截面分割的欠壓量與錯模量求取............ 54
4.4 基于截面分割的葉片截面特征參數求取........ 61
4.5 截面特征參數求取對比實驗........ 63
4.6 本章小結.......... 65
5模鍛葉片掃描評價系統軟件設計
5.1 軟件總體結構............ 66
5.2 軟件系統模塊化實現.......... 68
5.3 系統測量驗證實驗.... 75
5.4 軟件存在的問題........ 79
5.5 本章小結.......... 79
 
5 模鍛葉片掃描評價系統軟件設計
 
需要利用本研究算法編寫軟件,完成模鍛葉片分析軟件的開發,滿足軟件需求方對于可視化及自動化的數據處理軟件的需求。經軟件需求分析,模鍛葉片分析軟件的主要功能有:掃描模型配準、 葉片誤差分析、葉片截面分析、計算結果輸出。具體功能如下:(1) 掃描模型與理論模型的配準是后續數據分析的基礎,根據配準模型的不同,軟件需要同時具有基于標記點提取的配準以及基于手動選點的 ICP 配準;(2) 配準完成后進行整體誤差分析、誤差譜圖繪制及采樣點誤差計算。整體誤差計算主要用于配準完成后初步評估模鍛葉片的質量;繪制誤差譜圖可定性分析葉身余量分布;通過手動點選及坐標輸入的輸入方式獲取采樣點并計算采樣點誤差可以定量分析葉身余量;(3) 葉片截面分析:可以求取采樣截面的欠壓量、錯模量、最大厚度及弦長;(4) 報告輸出:輸出模鍛葉片分析報告,包括采樣點誤差、 欠壓量、錯模量、最大厚度、弦長等。通過軟件需求分析可得軟件特性:(1)各個模塊之間功能相互獨立,但是對模型數據的處理又相輔相成,當完成了所有功能及算法對于模型的操作后,需要將數據處理的結果集中輸出;(2)各個算法需要通過圖形化的顯示窗口進行可視化地人機互動并顯示計算結果,以獲得直觀的用戶使用體驗;(3)軟件實現的各個算法功能需要具備易修改,易調試的特性,并且軟件功能需要較強的擴展性,以適應測量新的應用對象時產生的軟件需求變更。以上特性對模鍛葉片分析軟件提出了很高的要求,需要使用一種優秀的軟件架構以滿足上述需求。
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總結
 
本研究的任務:對模鍛葉片掃描模型的配準及葉片截面特征參數的提取等關鍵技術進行研究,并完成模鍛葉片分析軟件的開發。本研究開發的模鍛葉片掃描評價系統借助機器人、三維掃描儀完成數據采集,使用模鍛葉片分析軟件完成數據處理,實現了模鍛葉片的掃描采集——數據處理——結果輸出的自動化解決方案。本研究以應用需求為導向,對軟件系統進行了基于功能的模塊劃分,分別分析了各個模塊的功能要點以及技術上的實現方案,對其中的模型配準及截面分割等關鍵技術進行了深入的研究,并分別進行了實驗分析,與三坐標測量機進行結果對比,證明了系統的精度滿足使用要求。具體內容如下:
(1)比較了各種掃描儀方案,包括掃描儀精度、效率等特點,針對需求選擇了雙目結構光式掃描儀配合機器人的掃描方案;闡述了滿足精度要求的 STL 掃描模型精簡預處理方法,為使用本研究開發的模鍛葉片分析軟件處理數據做好了準備;
(2)根據實際配準需求,針對不同類型的模鍛葉片模型,研究了兩種模型配準方案:基于標記點提取的 SVD 配準算法及基于手動選點的 ICP 自動配準算法,分別應對模鍛葉片中有標記孔與沒有標記孔的模型配準要求;通過實驗分析了標記點提取精度及配準算法對誤差分析造成的影響,經討論,本研究的配準算法滿足使用要求;
(3)在采用合適的配準方案進行配準后,進行了模型的整體誤差與采樣點誤差計算,并按照軟件需求方的要求完成了誤差譜圖的繪制,實現了手動采樣與輸入坐標采樣兩種采樣點誤差求取方式;在與 Geomagic 進行采樣點誤差計算的對比實驗中,對相同采樣點的誤差進行了對比,經討論,本研究的誤差計算精度滿足使用要求。
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參考文獻(略)

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