大型螺旋槳高效測(cè)量及余量自適應(yīng)分配技術(shù)研究.pdf

1、螺旋槳是船舶推進(jìn)器的核心元件，其制造品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)艦船隱蔽性、動(dòng)力性能和穩(wěn)定性能影響巨大。國(guó)內(nèi)螺旋槳制造水平與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定差距，具體表現(xiàn)在鑄造、檢測(cè)、加工等多個(gè)領(lǐng)域。其中，螺旋槳的檢測(cè)工作貫穿于整個(gè)制造過(guò)程，是連接鑄造與加工的中間橋梁，也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。然而，越來(lái)越多的制造廠家意識(shí)到現(xiàn)有的“螺距規(guī)+卡鉗”的手工測(cè)量方法、傳統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法在檢測(cè)效率與檢測(cè)精度等方面越來(lái)越難以滿足各大船廠日益增長(zhǎng)的螺旋槳精度需求，落后

2、的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為制約大型螺旋槳高效、高精制造的源頭性因素。
　　激光測(cè)量作為極具發(fā)展前景的非接觸式測(cè)量方法已經(jīng)被廣泛用于解決各類(lèi)幾何信息的測(cè)量問(wèn)題，具有測(cè)量速度快、信息量大、自動(dòng)化程度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中同樣具有一些弊端，其中最為主要的是其測(cè)量精度非常容易受到物體表面幾何形狀的影響。實(shí)現(xiàn)大型螺旋槳高效、高精激光自動(dòng)化測(cè)量面臨三個(gè)主要難題:①傳統(tǒng)的“螺距規(guī)+卡鉗”的測(cè)量工藝已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用激光傳感器的大型螺旋槳檢測(cè)

3、工藝與專用裝備尚屬空白；②螺旋槳槳葉屬于典型的自由曲面，激光傳感器的測(cè)量精度勢(shì)必受到被測(cè)表面幾何形狀的影響；③螺旋槳毛坯模型的調(diào)整及匹配問(wèn)題非常復(fù)雜，目前僅能依靠人工經(jīng)驗(yàn)完成，缺乏開(kāi)發(fā)自動(dòng)化算法的理論基礎(chǔ)。本文旨在針對(duì)上述問(wèn)題，在檢測(cè)工藝、激光測(cè)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槳高效檢測(cè)的完整的理論和方法體系，實(shí)現(xiàn)螺旋槳高效、高精、智能化檢測(cè)。
　　首先，研究了大型螺旋槳完整的制造工藝

4、，總結(jié)出螺旋槳在各個(gè)生產(chǎn)階段的檢測(cè)需求和檢測(cè)工況，提煉出大型螺旋槳激光檢測(cè)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)螺旋槳制造現(xiàn)狀，提出基于激光測(cè)量技術(shù)及曲面造型技術(shù)的大型螺旋槳智能化檢測(cè)方案，為后續(xù)大型螺旋槳激光檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　其次，針對(duì)自由曲面激光測(cè)量精度問(wèn)題展開(kāi)深入研究，提出了基于激光傳感器空間位姿的自由曲面測(cè)量誤差補(bǔ)償模型。利用“測(cè)量距離h”、“測(cè)量入射角α”、“測(cè)量方位角φ”三個(gè)參數(shù)描述激光傳感器相

5、對(duì)于被測(cè)點(diǎn)的空間位姿，設(shè)計(jì)精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究各參數(shù)的變化對(duì)激光測(cè)量精度的影響，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用幾何光學(xué)與輻射度學(xué)的相關(guān)理論，建立基于激光傳感器空間位姿的曲面測(cè)量誤差模型，提高自由曲面激光測(cè)量精度。
　　第三，提出了一種大型螺旋槳毛坯余量自適應(yīng)分配方法。針對(duì)大量的螺旋槳毛坯鑄造過(guò)程中局部變形過(guò)大而難以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模型的制造難題，提出了一種螺旋槳毛坯加工余量自適應(yīng)分配算法，算法中分析了各個(gè)建模參數(shù)（槳葉間傾、縱傾、夾角、螺距等）

6、的相互影響關(guān)系，在多參數(shù)約束條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)螺旋槳毛坯的實(shí)際情況。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模型自適應(yīng)調(diào)整完成后將毛坯模型與調(diào)整后的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行最優(yōu)化匹配，依據(jù)實(shí)際制造工藝合理簡(jiǎn)化了最優(yōu)變換矩陣并利用L-BFGS-B算法進(jìn)行求解。
　　最后，在關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套以激光測(cè)量為數(shù)據(jù)源的大型定距槳數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了專用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)螺旋槳“葉面”、“葉背”同步測(cè)量，解決了傳統(tǒng)人工測(cè)量時(shí)“葉厚”無(wú)法精確測(cè)量的問(wèn)題。

7、開(kāi)發(fā)了專用的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了螺旋槳參數(shù)化建模，測(cè)量路徑規(guī)劃，以及測(cè)量數(shù)據(jù)分析等功能，將各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果集成在軟件系統(tǒng)的各個(gè)模塊之中。
　　總體而言，本文建立了一套用于大型螺旋槳高效檢測(cè)的完整的理論和方法體系，相對(duì)應(yīng)的研發(fā)了一套用于大型螺旋槳測(cè)量的激光智能檢測(cè)系統(tǒng)。提出了一套符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的、制造企業(yè)認(rèn)可的大型螺旋槳激光檢測(cè)工藝，提出了一種用于補(bǔ)償自由曲面激光測(cè)量誤差的精度模型，提出了一種用于螺旋槳毛坯模型加工余量自適應(yīng)分配算法