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面向复杂曲面叶片的机器人接触式原位测量技术

发布时间:2020-09-16 21:15
   航空发动机叶片是飞机动力系统的重要组成部件,叶片的加工质量对飞机的性能和寿命影响很大。叶片零件曲面特征复杂,导致其加工和测量都很困难,目前大部分叶片仍以三坐标测量为主,三坐标测量机无法实现原位测量,测量效率低,工时成本高。为了提高叶片的加工质量和加工效率,本文基于工业机器人技术,提出了一种叶片自动化“加工-测量”方案,重点针对叶片原位测量技术开展了研究。本文的主要研究工作如下:1.叶片原位测量系统构建。构建了一种叶片机器人自动化“加工-测量”方案,提出了一种基于力觉和视觉的光笔式原位测量方法,采用机器人夹持光笔在力控制下与叶片稳定接触,按照规划的测量轨迹扫描叶片,同时通过双目视觉系统实现非接触式测量。该方法结合了接触式测量的高精度和视觉测量的高效率,避免了传统接触式测量设备的运动误差对测量精度的影响,能有效实现叶片原位测量。2.基于双目视觉技术的光笔三维重建。建立了视觉成像模型,采用张氏标定法完成了双目视觉系统的标定;通过图像处理获得了光笔上特征圆中心在左右图像中的像素坐标,采用立体几何法实现了光笔姿态的三维重建,运用最小二乘法完成了探针球心坐标的标定;在光笔式原位测量实验平台上进行了重复精度测量实验,结果显示重复测量误差小于0.282mm,深度方向测量误差比其他方向更大。3.叶片表面测量轨迹规划。以叶片三维模型为基础,根据叶片设计流程的逆过程对测量点进行了规划,采用等截面法提取了叶片表面的轮廓曲线,将轮廓线的曲率信息融入到等步长采样法中,提出了一种自适应采样的方法,对叶片表面的测量点进行了规划。根据测量路径对机器人的运动轨迹进行了规划,通过仿真验证了机器人运动的稳定性。4.接触式测量顺应控制。建立了机器人接触式测量的力控制模型,采用阻抗控制器对机器人进行了顺应控制。在正弦曲面上对机器人的力控制算法进行了仿真和实验,结果表明控制器具有稳定性,力跟踪误差小于±1N。在光笔式原位测量实验平台上开展了叶片测量实验,验证了方案的可行性,将测量结果与三坐标测量机进行了对比,结果显示测量误差小于0.4mm,测量误差可能是由环境光照、相机分辨率、标定精度、图像轮廓提取精度以及接触力过大等因素综合引起的。
【学位单位】:华中科技大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TP242;V263.1
【部分图文】:

原位测量,叶片,系统组成,部件


华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文根据实际接触力与期望接触力的误差对磨抛机进行力控制,使砂稳定在期望的数值,实现叶片的恒力磨抛。叶片磨抛完成后,CO磨抛后的叶片工装移动到测量工位,并保持固定不动,由光笔式测量工作。笔式原位测量系统构成式原位测量系统由 UR5 机器人、接触式探针、六维力传感器、光统组成。如图 2-2(a)所示,UR5 机器人具有轻巧、高度灵活性与工作半径为 850mm,有效负载 5kg,重量仅 18.4kg,占地面积直径为关节臂可在有效工作空间内灵活运动,适用于各种复杂工况,能够测量。

系统原理图,原位测量,光笔,实验平台


图 2-4 光笔式原位测量实验平台位测量原理owxwywzwo0x0y0y1oRxyRzRo1x1z0z111(,)wwRT00(,)wwRT11(,)RRRT00(,)RRRT图 2-5 光笔式原位测量系统原理图位测量系统原理如图 2-5 所示,为了获得叶片表面目标世界坐标系w w w wo x y z、工件坐标系0 0 0 0o x y z、相机坐标

板图,同步采集,相机,标定图


(a) 左相机采集的标定板图像 (b) 右相机采集的标定板图像图 3-3 左右相机同步采集标定板图像MATLAB Calibrator 工具会根据每幅标定图像及最终标定结果计算重投影误差,相机标定过程中由于标定板倾斜程度不同,光照、噪声等因素的影响,部分标定图像角点提取误差较大,导致最终标定误差较大,因此需要对标定结果进行重投影误差分析,删除误差较大的标定图像并重新计算标定结果。实验中对标定结果进行了优化,最终保留了 22 幅图像用于确定相机的参数。

【参考文献】

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本文编号:2820381

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