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    模锻叶片快速测量及误差分析方法研究

    来源: www.workforlgbt.org 发布时间:2018-07-23 论文字数:39475字
    论文编号: sb2018071918404422149 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
    本文是一篇在职硕士论文,近两年,专业硕士教育发展势头迅猛,不再是MBA一枝独秀,工程硕士、教育硕士、法律硕士等开始成为在职人士深造的热门方向。
    本文是一篇在职硕士论文,近两年,专业硕士教育发展势头迅猛,不再是MBA一枝独秀,工程硕士、教育硕士、法律硕士等开始成为在职人士深造的热门方向。专业学位教育主要培养理论与实践相结合的高层次职业人才。其要求报考者有一定年限的工作经历,绝大多数专业硕士还要求在职人员报考需经所在单位或相应管理部门的同意,有的甚至要求所在单位推荐。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇在职硕士论文,供大家参考。
     
    1 绪论
     
    1.1 课题来源
    本课题来源于:(1) 国家自然科学基金项目“叶片型面机器人磨抛加工机理及工艺技术研究”(项目号:51375196)。(2) 华中科技大学无锡研究院与无锡透平叶片厂校企合作项目“模锻叶片检测及分析软件研发”。
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    1.2 课题研究目的及意义
    无锡透平叶片厂拥有国内一流的叶片加工技术与加工设备。首先,采用精密锻压成型技术,锻压叶片坯料使其成型;然后,应用五轴五联动数控加工中心、四轴四联动数控加工中心等尖端设备,使用专用软件,采用数控加工技术对叶片型面进行精密加工成型;接着,使用专用辅助设备,采用强力磨削技术精密加工成型,并应用三坐标测量机借助专用测量软件对叶片制造精度进行现场检测;最后,利用其拥有的全套叶片表面处理技术,根据客户需求可以对叶片进行表面处理。本研究的检测对象是由坯料经过锻压成型粗加工后的模锻叶片。对锻压后的的叶片进行检测判断其是否满足技术要求,根据锻压技术指标剔除不合格的锻件;同时求取叶片的截面的欠压量与错模量,衡量该叶片的整体欠压量与错模量;在完成一个批次的所有叶片的欠压量与错模量后,对所有数据进行统计,获得锻模的合模误差,从而实现对锻模的调整、降低误差、提高良品率,进一步地,可以减少锻件的设计余量,降低加工成本。经锻压后的叶片温度高达数百度,待其完全冷却到室温的时间过长。为了保证叶片生产效率,及避免设备折旧造成的成本增加,又由于本检测工位对检测精度的要求比终检低,因此在热态完成叶片检测是必要的也是可能的。检测过程中随着叶片温度的下降,叶片的形状尺寸随之变化,为了保证测量过程中测量数据的一致性,需要测量测量过程快速完成。
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    2 叶片非接触测量方案选择
     
    过去多使用三坐标测量机[21-23]进行接触式测量。测量头在接触热态锻件时导致测量头损伤的概率较大,并且由于热态金属表面易变形,测量头在接触过程中会造成局部形变导致测量误差,接触式测量手段同时还有着扫描测量速度过慢的弊病,导致测量过程中测量数据一致性较低。对模锻叶片进行截面分析时,软件需求方目前采用的是标准样模法,同时标准样模法也是国内外叶片加工测量领域应用最为广泛的检测手段之一。在检测过程中,将标准样模与待测的特征截面互相靠拢,根据目视标准样模和待测截面之间的透光量估计对应型线的误差[1]。虽然标准样模法测量成本低,但是它无法定量求取误差数值,并且有测量结果不稳定的弊端。因此该方法也达不到前文所述的检测目标。各种接触式测量手段应用于本实例时都有其局限性,因此对一种非接触的快速检测手段提出了需求[24-28]。本章将从测量数据采集手段出发确定检测手段,并对采集到的数据进行预处理,完成自动化的数据采集。
     
    2.1 叶片型面测量数据采集
    目前市面上销售的非接触式扫描仪按照测量机制分为两种:(1)基于激光测距机制的扫描仪,例如 FARO 公司的扫描仪 X 330、X130 等;(2)基于视觉成像机制的扫描仪,例如形创公司的 Handy Scan 系列产品、博尔科曼公司的 StereoScan 系列产品、ATOS 公司的蓝光扫描仪等。常用的激光测距法测量设备有:(1)Leica ScanStation 2 扫描仪,结合工件旋转 3次,每次 120 度,测量距离为 15-20m,测量结果最大误差为 8mm;(2)LaCam – Forge系统,控制与精度较高;(3)Top – Scan 测量系统,精度为±5mm,测量范围最大 7000mm;(4)Faro 扫描仪。以 Faro 扫描仪为例,激光测距法原理:三维扫描仪通过非接触式高速激光扫描测量,以阵列式点云的形式获取地形或复杂物体表面的三维空间数据[29]。扫描仪工作区域:水平 360°,垂直 300°,扫描半径 0.2m-330m,如图 2-1。测量速度可以设定为122000-976000 点/秒,测距误差最大为±2mm,测量平面获得点集的标准偏差为0.15mm-0.5mm。
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    2.2 点云数据预处理
    在使用扫描仪获取数据后,需要将扫描数据与理论模型数据进行转换,以获得模锻叶片分析软件可以处理的数据类型。获得了表面点云数据后,扫描仪系统会利用点云数据对模型进行曲面重构,获得被扫描锻造叶片的片体模型。模型重建有两种思路,一是在测量点曲线拟合的基础上,通过曲面造型算法完成曲面(曲面片)的重构;二是直接对测量数据拟合,生成曲面(曲面片)[35],在此基础上对面片及连接面片的节点进行简化,完成最终的网格化多面体模型,如图 2-11 所示。第一种处理方法多用于处理数据量不大、且数据呈有序排列的情况。将扫描仪采集获得的模型在 Geomagic Qualify 中转换为 STL 格式的网格化点云模型,网格化点云模型是一种以三角片体为基本单位按照一定的误差要求拟合工件表面后获得的壳体模型,这种模型的基本存储元素有点、边、片体。每个点中可以存储的信息有:点的坐标值及点的法向方向,点法向为模型曲面在该点的法向方向,一般指向模型的外侧。每个边中可以存储的信息有:以点为存储单元,存储每条边的两端点信息;每个三角片体元素中可以存储的信息有:以点为单元存储三角片体三个角点;以边为单元存储三角片体三条边;三角片体的法向,面的法向可以指向面的任意边,在 STL模型中,三角片体的法向一般指向模型的外侧。借助 Geomagic Qualify 中“CAD”选项卡中的“转为多边形”功能,将 IGS 格式的理论模型转换为 STL 格式的网格化点云模型。
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    3叶片配准算法研究
    3.1 配准方法概述............ 20
    3.2 基于 Dijkstra 算法的标记孔节点提取算法..... 24
    3.3 SVD 算法求解配准矩阵...... 32
    3.4 基于手动选点的两步配准法........ 34
    3.5 算法实验.......... 35
    3.6 本章小结.......... 43
    4叶片截面数据处理算法研究
    4.1 截面分析方法概述.... 47
    4.2 一种优化的截面数据分割方法.... 48
    4.3 基于截面分割的欠压量与错模量求取............ 54
    4.4 基于截面分割的叶片截面特征参数求取........ 61
    4.5 截面特征参数求取对比实验........ 63
    4.6 本章小结.......... 65
    5模锻叶片扫描评价系统软件设计
    5.1 软件总体结构............ 66
    5.2 软件系统模块化实现.......... 68
    5.3 系统测量验证实验.... 75
    5.4 软件存在的问题........ 79
    5.5 本章小结.......... 79
     
    5 模锻叶片扫描评价系统软件设计
     
    需要利用本研究算法编写软件,完成模锻叶片分析软件的开发,满足软件需求方对于可视化及自动化的数据处理软件的需求。经软件需求分析,模锻叶片分析软件的主要功能有:扫描模型配准、 叶片误差分析、叶片截面分析、计算结果输出。具体功能如下:(1) 扫描模型与理论模型的配准是后续数据分析的基础,根据配准模型的不同,软件需要同时具有基于标记点提取的配准以及基于手动选点的 ICP 配准;(2) 配准完成后进行整体误差分析、误差谱图绘制及采样点误差计算。整体误差计算主要用于配准完成后初步评估模锻叶片的质量;绘制误差谱图可定性分析叶身余量分布;通过手动点选及坐标输入的输入方式获取采样点并计算采样点误差可以定量分析叶身余量;(3) 叶片截面分析:可以求取采样截面的欠压量、错模量、最大厚度及弦长;(4) 报告输出:输出模锻叶片分析报告,包括采样点误差、 欠压量、错模量、最大厚度、弦长等。通过软件需求分析可得软件特性:(1)各个模块之间功能相互独立,但是对模型数据的处理又相辅相成,当完成了所有功能及算法对于模型的操作后,需要将数据处理的结果集中输出;(2)各个算法需要通过图形化的显示窗口进行可视化地人机互动并显示计算结果,以获得直观的用户使用体验;(3)软件实现的各个算法功能需要具备易修改,易调试的特性,并且软件功能需要较强的扩展性,以适应测量新的应用对象时产生的软件需求变更。以上特性对模锻叶片分析软件提出了很高的要求,需要使用一种优秀的软件架构以满足上述需求。
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    总结
     
    本研究的任务:对模锻叶片扫描模型的配准及叶片截面特征参数的提取等关键技术进行研究,并完成模锻叶片分析软件的开发。本研究开发的模锻叶片扫描评价系统借助机器人、三维扫描仪完成数据采集,使用模锻叶片分析软件完成数据处理,实现了模锻叶片的扫描采集——数据处理——结果输出的自动化解决方案。本研究以应用需求为导向,对软件系统进行了基于功能的模块划分,分别分析了各个模块的功能要点以及技术上的实现方案,对其中的模型配准及截面分割等关键技术进行了深入的研究,并分别进行了实验分析,与三坐标测量机进行结果对比,证明了系统的精度满足使用要求。具体内容如下:
    (1)比较了各种扫描仪方案,包括扫描仪精度、效率等特点,针对需求选择了双目结构光式扫描仪配合机器人的扫描方案;阐述了满足精度要求的 STL 扫描模型精简预处理方法,为使用本研究开发的模锻叶片分析软件处理数据做好了准备;
    (2)根据实际配准需求,针对不同类型的模锻叶片模型,研究了两种模型配准方案:基于标记点提取的 SVD 配准算法及基于手动选点的 ICP 自动配准算法,分别应对模锻叶片中有标记孔与没有标记孔的模型配准要求;通过实验分析了标记点提取精度及配准算法对误差分析造成的影响,经讨论,本研究的配准算法满足使用要求;
    (3)在采用合适的配准方案进行配准后,进行了模型的整体误差与采样点误差计算,并按照软件需求方的要求完成了误差谱图的绘制,实现了手动采样与输入坐标采样两种采样点误差求取方式;在与 Geomagic 进行采样点误差计算的对比实验中,对相同采样点的误差进行了对比,经讨论,本研究的误差计算精度满足使用要求。
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    参考文献(略)

    原文地址:http://www.workforlgbt.orghttp://www.workforlgbt.org/zzsslw/22149.html,如有转载请标明出处,谢谢。

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