[发明专利]基于热胀系数反求的测量基准偏差修正方法

说明书

本发明基于热胀系数反求的测量基准偏差修正方法，属于几何量测量领域，涉及一种基于热胀系数反求的测量基准偏差修正方法。该方法首先在工装局部主动温控条件下同步测量温度和基准点坐标；其次重建温度场函数，并基于温度和基准点坐标偏移间的映射关系反求最优热胀系数。然后，采用比例缩放法修正基准点坐标；最后以最小二乘法建立测量基准与数模基准间的转换关系，求解基准修正前后的转换误差。该方法能够实现对工装热胀系数的现场标定，完成非均匀温度环境中基准偏差修正。可提高测量基准的可靠性和一致性，可应用于现场非均匀温度条件大型构件制造中测量基准与数模基准匹配、激光跟踪仪转站误差修正等工程领域。

技术领域

本发明属于几何量测量领域，涉及一种基于热胀系数反求的测量基准偏差修正方法。

背景技术

随着我国远程宽体客机、载人空间站等航空航天重大战略的推进和实施，大型构件产品的制造要求也越来越高。在大型构件的加工装配过程中，测量基准用于测量数据与构件数模间的匹配，进而指导制造工艺，因此其精度和稳定性是保障制造质量和工艺一致性的前提。此类基准由构件工装上的若干基准点组成，且与数模基准间存在已知的转换关系。然而，受现场非受控、非均匀的时变温度影响，工装在长周期制造中容易发生膨缩变形，导致测量基准发生动态偏移，严重影响测量基准的精度和稳定性。因此，为了保障大型构件产品的加工装配质量，必须考虑现场温度对测量基准的影响，修正基准偏差。

目前，基于线性热胀系数的热变形计算方法已应用于测量偏差的修正中。例如，浙江大学的杨宝旒、俞慈君等，在《航空学报》2015年第36卷第10期的“激光跟踪仪转站热变形误差建模与补偿方法”一文中，公开了一种基于飞机壁板工装单位温度热变形系数矩阵补偿理论坐标的方法。该方法基于空间中温度均匀分布假设，通过实验法推导出了单位热变形系数矩阵，对测量基准点进行了线性修正。然而，装配车间中的环境温度是非均匀的，在垂直地面方向存在较大的温度梯度，因此基于均匀温度假设的修正方法难以适用于现场工况。

针对非均匀温度场中构件热变形的计算，南京航空航天大学的曾捷等人，在专利《薄壁圆管结构轴向热变形计算方法》、专利号CN201610476246.5中，公开了一种通过有限元仿真模拟薄构件热变形的方法。该方法将查表得到的材料热胀系数代入有限元模型进行计算，但由于工装材料成分差异、测量系统误差传递等因素，现场工况下工装材料的真实热胀系数与理论值间存在较大差异，基于查表法的热变形计算方法精度低；而目前材料热胀系数的检定需在恒温计量室进行，步骤繁琐，成本高昂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，发明一种基于热胀系数反求的测量基准偏差修正方法。该方法首先基于主动温控以构建工装的局部温度场，通过对离散点温度采集和基准点坐标测量获取反求数据，其次基于最小二乘法重建温度场函数并反求热胀系数，然后基于比例缩放法修正基准点坐标，最后与数模坐标系进行基准转换。本发明能够实现对工装热胀系数的现场标定，并修正非均匀温度场中工装热变形引起的基准偏差，可提高测量基准的可靠性，服务于长周期大温差现场环境下大型构件的精密制造，具有广泛的应用前景。

本发明采用的技术方案是一种基于热胀系数反求的测量基准偏差修正方法，其特征是，该方法首先对工装局部结构进行主动温控，并同步测量温度和基准点坐标；其次重建温度场函数，并基于温度和基准点坐标偏移间的映射关系反求最优热胀系数；然后在实际工况下，基于温度测量数据和反求的最优热胀系数，采用比例缩放法修正基准点坐标；最后以最小二乘法建立测量坐标系与数模坐标系间的转换关系，求解基准修正前后的转换误差；该方法的具体步骤如下：

第一步，主动温控下的温度-坐标同步测量

在工装上放置两个激光跟踪仪靶球，分别作为基准点A和基准点B，在两点之间布设m个温度传感器，然后使用加热装置对工装进行加热，通过温度传感器获取t_j，j＝1,2,…n时刻的温度数据集TEMP_j：