自由曲面五轴连续式测量轨迹生成、优化及速度规划

Parts with large free-form surfaces are widely used in various industrial area of the national economy. Currently, the most effective way for free-form surface inspection is by means of five-axis Coordinate Measuring Machine (CMM); However, the existing five-axis inspection path can only be used for the measurement of some special surface (e.g., blade surface) and elementary surfaces (e.g., cylindrical surface, conic surface and planar surface), without adapting to any arbitrary free-form surface. Based on this situation, this project proposes a whole set of algorithms and methods toward the inspection path generation, optimization and the sweeping speeding planning for free-form surfaces. Firstly, the properties and working pattern of the five-axis CMM are analyzed and the guiding principles for five-axis inspection path are correspondingly built; Based on which an algorithm by considering the geometric information of the free-surface and another method by considering the kinematic and dynamic properties of five-axis CMM are correspondingly proposed to generate five-axis inspection path for free-form surface. After that, a sweeping speeding planning method is proposed for the generated inspection path which aims to maximize the inspection efficiency without violating the working capacities of the five-axis CMM. Results from this research project could resolve the issues of five-axis inspection path generation, optimization and sweeping speed planning for free-form surfaces, which could significantly improve the inspection efficiency and increase the popularity of the five-axis CMM in industry at the same time.

大型自由曲面类零部件广泛应用于国民经济的各个领域。当前，自由曲面测量最有效的方法是通过五轴坐标机（CMM）连续式扫描，实现对曲面几何信息的精确采集。现有的五轴测量轨迹生成算法，仅能针对一些特殊曲面（如叶轮叶片）和一些基本曲面（如圆柱面、圆锥面、平面），缺乏针对任意自由曲面的支持。基于这一现状，本课题提出了针对任意自由曲面的五轴测量轨迹生成、优化及速度规划算法：首先，基于五轴CMM的结构特点和工作方式，提取高效五轴测量轨迹的基本属性并确立五轴CMM轨迹生成的基本准则；然后，针对被测量曲面的几何特征并考虑五轴CMM运动学和动力学，分别提出了自由曲面五轴测量轨迹生成和优化算法；最后，针对生成的两种测量轨迹，在五轴CMM工作能力允许的情况下，进行速度规划，最大程度的提升测量效率。本项目的研究成果将填补五轴CMM自由曲面测量方面的空白，显著提升曲面测量效率，并有助于五轴CMM在工业中的广泛应用。

自由曲面广泛应用于“三航两机”、汽车等国民经济重要的领域，自由曲面的测量是产品的质量控制、逆向工程中重要的环节。近年来出现的一种新型自由曲面五轴扫描式测量方法，相比于传统的三坐标测量，其测量效率提升15-100倍，测量精度与三坐标测量方法相当。由于五轴扫描式测量具有优异的测量精度和效率，它正成为自由曲面高效、精确测量的主要手段。..本课题针对自由曲面的五轴连续式测量，研究其测量轨迹生成、优化和速度规划。针对汽车、轮船行业中常见大型自由曲面，本课题提出了基于测头工作空间及工件几何特征相耦合的大型自由曲面分区算法，实现了曲面的最优分区，并提出了扫描式测量轨迹的生成方法。针对“三航、两机”领域的叶轮、机匣等零部件的测量，本课题提出了基于测量引导线的测针综合可行域的概念，并将测针方向规划的问题转化成图论中典型的最短路径的问题，实现了叶轮等复杂零件的五轴无干涉扫描式测量。针对叶片等筒状自由曲面，提出了基于螺旋线的桶状曲面分割方法，将曲面分割单一连续曲面片，实现了筒状曲面的连续无过渡测量。此外，针对五轴加工后自由曲面，完成了基于扫描测量结果的加工表面质量评估与误差追踪。最后，针对已生成的五轴测量轨迹，设计了其S型速度规划法算，在保证测量机平稳运行的情况下，实现了时间最优的五轴测量速度规划。..课题的研究成果确立了五轴测量轨迹生成的基本原则和约束条件，提出了针对扫描测量轨迹生成的自由曲面分割、碰撞避免、测量精度控制及测量效率优化等典型方法。课题的研究结果，在保证大型自由曲面和筒状曲面测量精度的前提下，测量效率可提升20%-50%左右。同时，对于叶轮等测量空间狭小的零件，可实现无干涉扫描测量，降低测量轨迹生成过程中人参与的程度，提高测量过程的自动化水平。