答辩博士：丁大伟
指导教师：傅玉灿 教授
论文题目：基于在机测量的复杂舱体结构适应性加工研究
答辩委员会：
主席：康 敏 教授/博导 南京农业大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
曲宁松 教授/博导 南京航空航天大学
李 亮 教授/博导 南京航空航天大学
陈 燕 教授/博导 南京航空航天大学
丁文锋 教授/博导 南京航空航天大学
傅玉灿 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：张全利 副教授 南京航空航天大学
时间： 2021年10月16日08：30
地点： 南航明故宫校区15号楼341会议室
学位论文简介：
复杂舱体结构主要由“热成形+精密数控切/磨削”组合工艺加工而成，其制造精度对新型空间飞行器的性能有着重要影响。近净成形的舱体结构具有较小的数控加工去除余量，可显著缩短切/磨削加工时间；但是，易呈现形状和位置未知的个性化状态。为解决该复杂薄壁结构件加工精度难以精确控制的难题，需实时准确获取毛坯状态信息并据此生成满足公差要求的适应性加工策略。因此，高效精密在机测量技术研究非常关键。然而，目前多传感器在机测量系统集成度不高导致实时性较低，且面向不同结构特征时测量精度和效率不匹配导致应用范围受限。为此，本文以实现复杂舱体结构进气道曲面适应性加工为目标，开展在机测量系统开发与能力评定、激光在机测量精度控制、精度约束下测量路径规划、以及轮廓度和壁厚双重约束下曲面重建与加工等内容研究，以期解决个性化复杂结构零件测量加工难的问题。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
（1）分析了复杂舱体结构特征并进行分类，基于LABVIEW平台和UG平台开发了同步数据采集系统与人机交互界面，提出了在机测量系统迭代标定方法并分析了测量误差和测量不确定度。结果表明，经多次迭代标定后标准球心距可减小到4.7μm；针对台阶高度、孔径和曲面轮廓度等参数，激光位移传感器测量误差分别为+9.2μm，-6μm和30.7μm，而超高速轮廓扫描仪测量误差分别为-5μm，-18μm和52.5μm；此外前者测量不确定度小于后者。
（2）分析了激光在机测量系统多因素误差来源，建立了综合误差模型及其子模型，验证了模型的拟合精度，提出了激光在机测量误差补偿和精度控制策略，实现了复杂舱体结构特征的高精度测量。结果表明，误差主要包括激光三角法测量原理性误差、激光传感器位姿标定溯源性误差、机床位置精度系统性误差以及测量环境因素预估性误差等；基于Lambert模型提出误差补偿方法使得粗、精补偿后最大误差分别减少71.5%和91.9%；基于Cook-Torrance模型提出精度控制策略使得测量误差可控制在阈值内；并针对台阶高度、孔径以及曲面轮廓度进行了有效验证。
（3）基于测量精度要求并在综合误差模型及拟合精度分析的基础上提出了允差分配原理与实现方法，制定了复杂舱体结构全局测量顺序及混合路径规划策略，形成了精度约束下的局部测量路径优化思路。结果表明，全局规划后测量优化顺序下转角总弧度减小且正反向测量一致性好；混合路径尽量沿测量精度高的方向规划从而在效率差异不明显的条件下提高测量精度；跟踪扫描时激光位移传感器正平均误差为+8.9μm，负平均误差为-9.9μm；超高速轮廓扫描仪正平均误差为+22.6μm，负平均误差为-24.5μm；精度约束控制在3μm和9μm时测量域分别为20和11个，且测量效率提升38.6%。
（4）分析了复杂舱体结构毛坯进气道曲面状态，提出了轮廓度与壁厚双重约束下的加工余量分配方法，设计并加工复杂舱体缩比结构件进气道曲面用以验证在机测量与适应性加工一体化系统的有效性。结果表明，激光在机测量曲面轮廓度最大和最小偏差分别为+0.3768mm和-0.0524mm；最终加工曲面检测轮廓度最大正偏差和最小负偏差分别为+0.0538mm和-0.3655mm，壁厚偏差最大值和最小值分别为+0.16mm和-0.22mm，均满足轮廓度（-0.5～+1mm）和壁厚（-0.4～+0.2mm）公差要求。
主要创新点如下：
（1）开发了集外形和壁厚检测于一体的同步在机测量系统，解决了测量数据与机床位置不匹配及迟滞等问题；提出了双传感器迭代标定方法并通过测量误差和不确定度分析实现了测量系统能力的评定及预测，验证了复杂舱体特征在机测量的稳定性和可靠性。
（2）建立了激光在机测量系统综合误差模型，阐明了光能质心偏移引起波形失真的误差形成机理，基于模型拟合精度分析提出了误差补偿方法和精度控制策略，解决了舱体特征激光在机测量精度不足等难题。
（3）提出了允差分配的原理和实现方法，解决了面向机床结构的全局路径规划问题；设计了基于边界条件控制的测量域划分思路及局部测量路径优化策略，构建了激光在机测量碰撞检测模型，实现了精度约束下尽可能提高测量效率的目标。
（4）提出了基于激光测量点云分布的舱体壁厚在机高精度检测方法，建立了轮廓度和壁厚双重约束下的非线性优化数学模型，提出了内外形点对插值匹配的可行曲面重建方法，制定了适应性加工策略，解决了复杂舱体进气道曲面余量不足及欠切等问题。
