GCr15长方形工件的纳米级表面超精密研磨技术研究

针对材质为GCr15轴承钢的长方形工件纳米级超光滑表面的技术要求,在CJY500超精密研磨机上,采用机械研磨和化学抛光相结合的非接触式超精密研磨(浮动研抛)方法,对长方形GCr15轴承钢工件进行超精密研磨抛光。结果表明:与其它研磨方法相比,此方法在获得纳米级表面粗糙度的同时,还能获得极高的面形精度,而且无加工变质层。

PWM频率对超精密机床主轴动态性能影响研究

为了分析多轴联动超精密机床伺服驱动器的PWM频率对超精密机床动态性能的影响,研究基于一款国产超精密机床的气体静压主轴,对其控制系统进行Simulink建模、仿真,并开展位置控制实验。通过主轴电机的动态特性方程对PWM型驱动器控制下的超精密机床主轴动态响应进行建模,模拟不同PWM频率下的主轴电机的电流、转矩和转速的响应波形,分析仿真数据,得到被控对象和PWM频率之间的控制律。在此基础上,以主轴的重复定位精度作为动态性能参数,搭建超精密机床主轴动态性能测试平台,通过对重复定位精度实验数据与仿真结果进行线性相关度分析,定量评价其相关度。最终得到气体静压主轴在PWM频率为20~60 kHz的范围内动态性能显著增强,而在60~100 kHz频率范围内的增强的趋势变缓,主轴动态性能的最优PWM频率参数为60 kHz。在设计选型阶段为超精密机床控制系统的参数选择提供了参考。

端面超精密车削中的面型误差辨识技术研究

为分析超精密车削过程中典型干扰因素对面型精度的影响机制以及这些干扰因素所造成面型误差的特性,基于国产超精密机床Nanosys600对Al6061进行单点金刚石车削实验。通过切削-面型轮廓测量-面型轮廓滤波-分析的迭代过程,辨识和排查了加工过程中的误差来源。在进行环境温度调控和更换导轨工作区域后,滤波后的面型轮廓波峰波谷差值由1510 nm降低到203 nm。

燃油喷嘴内腔锥角的精密测量系统研究

为实现航空发动机燃油喷嘴组件内腔锥角的快速精确检测,在双球法锥角测量原理的基础上,基于三轴运动平台、直线位移传感器、浮动夹头和多轴运动控制器等搭建了一套喷嘴内腔锥角精密测量系统,以解决喷嘴内腔锥角的自动化测量难题。该测量系统采用紧凑的立柱式结构,其运动机构由X、Y和Z直线轴构成,控制系统采用主流工控机与专用多轴运动控制器相结合的二级位置闭环数字复合控制方式,并且设计了具有"自适应入孔"功能的新型双球锥孔测头。最后,应用该测量系统对3个圆锥孔零件和某喷嘴样件的内腔锥角特征分别进行了多次重复测量。实验结果表明,所搭建的测量系统能够完成既定的测量任务,而且系统的测量精度指标能够满足检测任务需求,因而可以作为一项喷嘴结构尺寸检测的技术解决方案。

四轴非接触测量坐标系偏移的精密检测方法研究

温度变化是引起测量误差的一个重要因素,对于带立式转台的四轴测量机来说,温度变化会造成转台轴线相对于测量机零点的位置变化,即将之前的转台坐标系进行了平移,这样就给测量结果带来了误差。为了测量计算转台坐标系发生的偏移,本文对比了旋转转台多角度测棒法和固定转台单角度测棒法两种方法,最终确定了利用非接触测头在固定转台不旋转的情况下通过标准棒测轴线法来获得转台坐标系偏移,进而实现对测量数据的温度补偿,从而提高测量精度。

Al6061超精密车削工艺参数与表面质量关联性研究

为提高铝反射镜超精密加工的表面质量,介绍超精密切削的表面质量评价方法和影响表面质量的因素,分析各因素对表面质量的影响机制。采用单一变量法对Al6061进行不同工艺参数的单点金刚石车削实验,通过对比表面粗糙度和功率谱密度,研究各个工艺参数对表面质量的影响,并得出最佳工艺参数;最终加工出表面粗糙度为4.67 nm的光学表面。

高效、极致——精密超精密加工技术的发展与展望

当前精密超精密加工技术在不断研究新理论、新工艺以及新方法的同时正向着高效、极致等方向发展，并贯穿零部件整个制造过程或整个产品的研制过程，向精密超精密制造技术发展。

稀疏点测量航空导管的圆柱拟合算法研究

航空导管是航空管路系统的重要组成部分,为保证导管质量需要对导管进行测量获得其几何参数。为获得导管几何参数需要对测量点进行空间圆柱拟合。目前已有的圆柱拟合算法需要稠密的点云,有时受限于测量时间和环境只能获得稀疏的测量点,过少的测量点影响了圆柱拟合的精度,无法准确获得导管几何参数。针对这一问题,提出一种通过计算点云投影点的圆度来选取圆柱拟合时的初值的圆柱拟合算法。算法首先将采集的点云分别投影到以各个单位向量为法向量的平面上,将投影点拟合成圆,计算其圆度;然后将圆度最好的一组单位向量作为拟合圆柱轴向的初始向量,对应投影圆的圆心坐标和半径作为圆柱轴心和圆柱半径的初始值;最后利用梯度下降法对圆柱进行拟合。实验结果验证了该算法不需要大量的测量数据就可以较为准确地拟合圆柱,可以用于航空导管几何参数获取。

杨辉 精密超精密及微细加工技术首席专家

作为精密超精密及微细加工技术学术带头人，请您详细介绍一下近年来您所在的精密制造技术航空科技重点实验室所取得主要成果以及这些成果的应用情况。

高温电容位移传感器的设计与实验研究

为了精确测量航空发动机中的轴承座与外部机匣之间的相对变形量,应用高温合金、氧化铝陶瓷以及耐高温电缆等研制了可用于高温环境的特种电容位移传感器。将其安装于机匣的承力支板中,即可实现该相对变形量的测量。传感器采用双层屏蔽结构,并应用驱动电缆技术减小干扰信号的影响。本文首先对所设计的传感器进行了仿真分析,以验证其结构合理性,然后搭建实验平台完成了传感器的标定与性能测试,并进行了高温验证实验。实验结果表明,本文所研制的高温电容位移传感器能够在0-2.0 mm的范围内实现位移的精确测量,测量误差小于0.02 mm,并且能够在室温-500℃的温度范围内稳定工作,因而可以满足使用要求。

飞机蒙皮法线方向的视觉检测技术研究

为了实现飞机蒙皮上钻孔点位处的法线方向检测,从而为自动钻铆机器人提供刀具姿态调整的关键信息,本文基于结构光三维视觉测量原理,应用工业相机和十字线激光器等搭建了一套结构光视觉检测系统。通过工业相机获取十字线结构光在蒙皮上的投影光条来计算出蒙皮曲面的结构特征,并进一步解算出十字线结构光交点处的法线方向,从而获得蒙皮上钻孔点位处的法向信息。实验结果表明,该结构光视觉检测系统在多个钻孔点位处的角度单次测量极限误差≤±0.12°,具有良好的重复性精度,可以满足飞机蒙皮钻孔点位处的法向检测需求。同时,该系统具有体积小、重量轻和成本低等优点,可以作为传感器单元集成于自动钻孔机器人的末端执行器上以形成在线法向检测系统,从而辅助机器人完成刀具姿态的控制与调整,进而提高飞机蒙皮铆钉孔的制孔质量与效率。

基于光学扫描的叶片截面测量技术研究

航空发动机叶片型面数据的快速精确获取是提高叶片加工质量、保证整机工作性能和使用寿命的关键环节。为实现叶片等空间复杂曲面零件的几何形状和尺寸信息的高精、高效测量,基于非接触式的光学扫描测量系统,开展了其在叶片截面参数检测中的应用研究。该光学扫描测量系统以传统的三坐标测量机为系统平台,配备基于环形激光三角法测量原理的新型激光扫描测头,结合专用的叶片测量软件,实现叶身指定截面的几何参数测量与评价,因而可以作为一个技术领先的用于快速精确测量叶片和质量控制的解决方案。为验证该光学扫描测量系统在叶片型面扫描测量中的应用效果,以一个大扭曲风扇叶片作为被测对象,对其5个截面进行扫描测量,通过模型匹配获得了该叶片的每个截面上的轮廓度误差、形心位置度误差和弦线转角误差等,充分体现出了该测量系统的有效性和实用性。

气膜孔图像对焦评价函数的实验研究

为了使工业影像测头能够正确对焦于气膜孔的出口表面,开展了对焦评价函数选取的实验研究。首先,分析了各类对焦评价函数的特性、要求及优缺点,并确定选择灰度梯度函数用于图像序列的清晰度评价;然后,考察了Brenner梯度函数、Tenengrad梯度函数和Laplacian梯度函数等5种具有代表性的灰度梯度函数,通过实验获得了它们的函数曲线,并进行归一化处理和比较分析,最终确定Laplacian梯度函数作为系统的对焦评价函数,并进行了重复性验证。实验结果表明,Laplacian梯度函数可以正确判别出被测气膜孔的对焦位置,且对焦重复性小于0.005mm,满足气膜孔形位参数的检测要求。

气膜冷却孔空间位置的五轴视觉检测技术研究

为了使所研制的五轴视觉测量系统实现对气膜冷却孔空间位置的检测功能,开展了坐标系建立与数据传递方法研究,将孔心坐标的测量数据由图像空间转换到叶片空间。在应用过程中,建立了包含多个坐标系的数学模型,并确立了测量数据在各个坐标系间的传递关系,从而将冷却孔孔心的二维图像数据转化成三维物理测量数据,并最终转换到叶片设计坐标系中。为了验证该方法的可行性与功能实现,选取某高压涡轮叶片作为被测对象,首先对其前缘部位上的目标孔进行了孔心坐标的10次等精度重复测量实验,孔心坐标分量x、y和z的重复性测量精度均≤±15μm,然后对一列12个冷却孔逐个进行了测量。实验结果表明,所提出的五轴视觉检测方法,可以完成冷却孔空间位置的检测任务,从而为后续与理论数据进行比对并做出评价奠定了基础。

大承载卧式精密端齿分度台的设计及研齿工艺分析

随着精密端齿分度台在精密机械加工领域中的应用,对其提出了需具备更大承载能力的要求。在分析精密端齿分度台结构的基础上,针对影响齿盘分度精度的齿形参数、锁紧力以及齿部啮合状态等因素进行了有限元分析及设计,并进行了试验验证,最后提出了一种全新的齿形研磨工艺,从而提高了齿形研磨精度和效率,保证了大承载精密端齿分度台的精度。

飞机蒙皮铆钉孔的位置与法矢检测技术研究

在飞机蒙皮的自动铆接装配中,为将铆钉准确插入到相应的铆钉孔中,该文开展铆钉孔的位置与法矢检测技术研究。将单目视觉与十字线结构光投影相结合,研制一套十字线结构光视觉检测系统,并提出一种基于投影光条的位置与变化规律而获取铆钉孔空间方位的方法。由十字线激光器将十字线结构光投射于被测蒙皮表面并在其上形成投影光条,再通过摄像机采集其视野范围内的、同时包含有投影光条和铆钉孔的二维图像,而后经由系统标定和光条中心线提取来计算和表征出蒙皮曲面的成形轮廓和结构特征,并通过等效与叠加运算等获取到铆钉孔的孔心三维坐标与孔心法线方向。实验结果表明,该系统对于铆钉孔的坐标单次测量极限误差在±0.06 mm内,法矢方向的单次测量极限误差在±0.4°内,具有良好的重复性精度,可以满足蒙皮自动铆接过程中的插钉要求,从而为实现视觉伺服插钉功能提供检测技术支撑。

气膜孔轴线方向的视觉测量技术研究

针对高压涡轮叶片气膜孔的轴线方向测量难题,将非接触式的视觉测量技术与常规的多轴坐标测量技术相结合,搭建了气膜孔五轴视觉坐标测量系统,以在气膜孔的测量方法和设备方面开展探索与研究。为了获取被测气膜孔的轴线矢量参数,提出了采用景深合成技术来实现气膜孔形貌的三维重建,并将工业相机获取到的图像序列转化为三维物理数据的测量方法,而后通过空间直线拟合获取到了被测气膜孔的轴线矢量,以表征气膜孔的轴线方向。为了验证该方法的有效性和可行性,选取某型高压涡轮导向叶片作为被测物体,应用该测量系统对其前缘部位上的目标气膜孔进行了轴线矢量参数的10次等精度重复测量试验,轴线角度的重复性测量误差不大于0.30°,从而提供了一种气膜孔轴线方向的测量技术解决方案。

薄壁细长轴壁厚测量技术研究

针对航空发动机中薄壁细长轴类零件的壁厚需要精密高效测量的问题,提出了一种双测头快速高精度测量方法。该方法以大长径比碳纤维测杆支撑小型非接触光学测头进行细长轴内壁测量,以龙门式框架安装接触式测头同时进行细长轴外壁测量,并采用高精度气浮平台作为工作台带动零件移动,从而实现对细长轴类零件的壁厚进行测量。采用该方法研制了测量设备,并详细介绍了机械、电控和软件设计。通过实验和第三方检测,该测量设备可对长度1 500 mm、内孔直径14 mm的细长轴进行壁厚测量,验证了本方法的有效性。

基于结构光视觉的钻孔点位法矢检测技术研究

为了实现飞机蒙皮上钻孔点位处的法矢检测,基于结构光视觉测量原理,应用工业相机和十字线激光器等搭建了一套结构光视觉检测系统。建立了系统的数学模型,并采用张正友标定法和Hessian矩阵法等完成了模型参数的标定。在应用过程中,由十字线激光器将十字线结构光投射于被测蒙皮表面而形成两个特征光条,再由工业相机采集此时的蒙皮图像,而后通过图像处理解算出特征光条中心线的精确三维坐标,从而解算出特征光条交点处的法向信息,以此表征钻孔点位处的法矢。通过模拟样件实验验证了系统的实用性和有效性,并且重复性精度良好,为快速与精确钻孔提供了一项检测技术解决方案。

基于十字线结构光的铆钉孔定位技术研究

针对自动钻铆过程中的铆钉孔定位问题,应用工业级摄像机、镜头、十字线投射器和夹持工装等搭建了一套十字线结构光视觉传感器,并通过建立其单目成像模型和内外部参数标定,确立了十字投影光条上的采样点的二维图像坐标与其三维空间坐标之间的映射关系。在应用过程中,对于摄像机视野范围内的多个铆钉孔特征,提出了一种由被测铆钉孔孔心的等效投影点的空间坐标而合成出孔心空间坐标的方法,从而完成被测铆钉孔的定位任务,并进行了试验验证。试验结果表明,铆钉孔孔心坐标X_(W)、Y_(W)和Z_(W)的单次测量的极限误差均≤±0.06mm,因而该传感器在检测铆钉孔的位置方面所能达到的重复性精度水平可以满足使用要求。