【摘要】：在運載火箭中含有大量的薄壁殼段部件,其壁厚過薄會降低火箭主體結(jié)構(gòu)的強度,過厚則會降低火箭的有效載荷。為了保證殼段的加工質(zhì)量,需要對其厚度的三維分布進行測量。但是,在現(xiàn)有的殼段厚度測量方法中,以激光三角法為代表的線下測量方式不利于壁厚超差部位的定位和修復(fù),以超聲波為代表的在位測量方法因逐點接觸測量的技術(shù)特點而存在測量效率較低的問題。因此,對殼段厚度在位激光三角測量方法的研究具有一定的必要性和必然性。本文提出的殼段厚度測量方法的核心是將固定有兩個激光位移傳感器的夾具裝卡于銑床主軸上,借助于銑床的運動實現(xiàn)被測件厚度三維分布的連續(xù)測量。顯然,待測件表面形貌的多樣性及其安裝位置的隨機性,限制了傳感器測量線方向的準確性,成為制約殼段厚度在位測量精度的主要因素。因此,本文的研究工作圍繞提高圓筒狀殼段厚度在位測量精度這一主題展開,從理論分析和實驗研究兩個方面對涉及到的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進行了探討,具體內(nèi)容如下:建立了基于兩個激光位移傳感器的殼段厚度在位測量幾何模型,分析了在位測量過程中被測件、傳感器等部件安裝誤差對厚度測量結(jié)果的影響;基于復(fù)雜物面的激光散射理論,建立了考慮物體表面幾何特性的激光傳感器位移測量誤差模型,分析了傾斜角、曲率等參數(shù)對單個傳感器以及圓筒狀殼段厚度測量結(jié)果的影響。分析結(jié)果表明,對于在待測殼段內(nèi)外兩側(cè)對稱布置的傳感器而言,由傾斜角、表面曲率等物面幾何特性引起的傳感器原理性誤差能夠相互補償或者基本忽略,而兩個激光傳感器及其與銑床、被測件之間位置關(guān)系的準確性是決定厚度測量精度的關(guān)鍵因素。針對在位測量中各部件相對位姿的準確性與厚度的測量精度之間相互制約的問題,構(gòu)建了一種雙偏置參數(shù)圓筒狀殼段壁厚測量模型。借助于基于相關(guān)理論的相位差計算方法、差分算法實現(xiàn)了模型中待測件安裝偏心距和傳感器測量線偏移量參數(shù)的準確估計,進而從兩個激光位移傳感器測量值中提取出對應(yīng)的厚度值。利用蒙特卡洛法對該方法的測量不確定度進行了分析,仿真結(jié)果表明該模型能夠提高殼段厚度的在位測量精度。針對雙位移傳感器測厚中對射激光束共線調(diào)節(jié)這一共性核心問題,提出了一種基于雙分光棱鏡的激光束空間視覺定位方法,建立了四個光斑圖像中心點坐標與兩個傳感器測量線相對姿態(tài)間的數(shù)學(xué)模型。結(jié)合拉格朗日非線性分解理論,根據(jù)最小類間方差目標函數(shù)對圖像直方圖進行迭代分解,以實現(xiàn)圖像光斑區(qū)域最優(yōu)邊界對應(yīng)分割閾值的快速提取,進而提高激光光斑中心的擬合精度。對激光束共線檢測方法的誤差進行了分析,與殼段厚度測量中傳感器共線性允差的對比表明該方法滿足設(shè)計要求。針對未知噪聲頻率信息條件下殼段厚度連續(xù)測量數(shù)據(jù)的去噪問題,提出了一種基于模態(tài)分解算法的改進自適應(yīng)濾波方法。對經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、變分模態(tài)分解算法進行了改進及性能分析,并聯(lián)合上述兩種方法將厚度數(shù)據(jù)分解為若干個固有模態(tài)函數(shù)。然后,提出了固有模態(tài)函數(shù)瞬時能量概率的概念,結(jié)合離散Hellinger概率分布距離理論判斷固有模態(tài)之間的信噪分界點,從而實現(xiàn)對信號的重構(gòu)及濾波處理。對殼段厚度數(shù)據(jù)的仿真和實驗處理結(jié)果表明,在無需選擇基函數(shù)、分解層數(shù)的前提下,所提方法的去噪性能優(yōu)于現(xiàn)有小波濾波方法。最后,對本文中提出的激光束共線檢測方法、基于雙激光位移傳感器的殼段厚度在位測量方法進行了實驗驗證,搭建了相應(yīng)的測試平臺,通過對標準量塊、待測件安裝偏心距的測量分別驗證了所提方法的有效性。
【圖文】：

圖 1-1 運載火箭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-1 Schematic diagram of launch vehicle工件作為一種弱剛性鋁合金零部件，，其在平板折彎、銑會帶來毫米級的變形量，使得保證殼段的加工質(zhì)量成為要在粗、精加工的各個階段對其厚度進行多次重復(fù)檢

(a) 單探頭反射式 (b) 雙探頭反射式 (c) 雙探頭斜射式 (d) 雙探頭透射(a) Single-probe (b) Double-probe (c) Double-probe (d) Double-proreflection type reflection type oblique incidence type transmission 圖 1-2 超聲波測量厚度的基本模型Fig.1-2 Basic model of ultrasonic thickness measurement method理想狀態(tài)下，基于脈沖反射的殼段厚度測量原理如圖 1-3（a）所示。其
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;V475.1;V414

【參考文獻】

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本文編號：2642323