超精密加工高反射曲面光學(xué)非接觸三維形貌測量.pdf

1、高反射曲面零件的超精密加工技術(shù)已成為國防和現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的前沿研究方向,準(zhǔn)確測量和評(píng)價(jià)超精密加工高反射曲面零件的三維形貌,研究表面幾何特性與使用性能的關(guān)系,對提高加工表面的質(zhì)量和產(chǎn)品性能具有重要的意義?，F(xiàn)有的接觸式測量方法具有測量速度慢、易劃傷測量表面的缺點(diǎn),而單一的光學(xué)非接觸測量方法難以完成對大面形或曲率較大的高反射曲面零件三維形貌的高精度測量。本文創(chuàng)新性地提出了將光柵相位偏折測量技術(shù)和白光掃描干涉測量技術(shù)相結(jié)合的異類光學(xué)傳感器融合測

2、量方法,實(shí)現(xiàn)了超精密加工高反射曲面三維形貌的高精度非接觸測量。論文的主要研究工作包括:
　　1.提出融合光柵相位偏折測量方法和白光掃描干涉測量技術(shù)的超精密加工高反射曲面光學(xué)非接觸三維形貌測量方法,并完成了測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用光柵相位偏折測量方法可完成尺寸為150mm×150mm×20mm超精密加工高反射曲面整體三維形貌的測量,測量精度可達(dá)到50μm~100μm,在此基礎(chǔ)上合理規(guī)劃測量路徑,使用系統(tǒng)中的干涉測量鏡頭進(jìn)行超精密加工高反

3、射曲面局部區(qū)域的高精度掃描測量,搭建的白光掃描干涉測量子系統(tǒng)的測量范圍為847μm×710μm×100μm,系統(tǒng)的橫向分辨率為1.047μm,垂直分辨率為0.126nm。
　　2.光柵相位偏折測量方法中,在深入研究光柵編碼方案和相位提取算法的基礎(chǔ)上,提出了復(fù)合光柵編碼、攝動(dòng)相位展開的快速相位提取算法,通過顯示一幅含有攝動(dòng)信息的復(fù)合光柵編碼圖案,由圖像采集設(shè)備接收工件表面反射的變形復(fù)合光柵像,根據(jù)攝動(dòng)信息可計(jì)算得到工件表面各點(diǎn)對應(yīng)的

4、展開相位信息,相位提取的可靠性和速度均得到了明顯提高。
　　3.采用基于運(yùn)動(dòng)靶標(biāo)的標(biāo)定方法,完成了對攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的高精度標(biāo)定;采用Millitron型測長干涉儀完成了白光掃描干涉測量子系統(tǒng)中壓電移位器非線性誤差的高精度標(biāo)定;利用標(biāo)準(zhǔn)棋盤格平板和標(biāo)準(zhǔn)量塊組合提出超精密加工高反射曲面光學(xué)非接觸三維形貌測量系統(tǒng)的整體標(biāo)定方案。
　　4.在光柵相位偏折測量方法中,提出虛擬參考面的方法,在系統(tǒng)標(biāo)定階段,通過由LCD液晶屏幕顯示一幅特殊

5、編碼圖案,由CCD攝像機(jī)接收經(jīng)標(biāo)定用平面鏡反射的特殊編碼圖像,在完成LCD液晶屏位置標(biāo)定的同時(shí),可直接得到計(jì)算相位偏折信息所需的兩垂直方向的參考相位分布,避免了對理想?yún)⒖济娴臏y量需求,在保證測量精度的同時(shí),提高了測量效率,降低了測量的復(fù)雜性。
　　5.提出光柵相位偏折高反射曲面三維形貌測量模型,基于迭代策略,建立相位偏折信息與被測工件表面梯度和高度的對應(yīng)關(guān)系,由梯度重建工件三維形貌。在梯度重建高度過程中,提出結(jié)合區(qū)域波前重構(gòu)和路徑

6、積分的三維重建算法,由路徑積分法獲得被測工件的初始形貌,由區(qū)域波前重構(gòu)法進(jìn)行面形優(yōu)化。提出基于編碼光柵條紋相移特性的輪廓提取方法,整個(gè)重建過程僅在提取后的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。
　　6.基于光柵相位偏折測量子系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù),提出路徑規(guī)劃方案,以引導(dǎo)白光掃描干涉測量子系統(tǒng)對被測工件局部區(qū)域進(jìn)行高精度掃描測量;在深入研究白光掃描干涉測量原理的基礎(chǔ)上,對目前廣泛使用的多種白光干涉信號(hào)峰值提取算法進(jìn)行了理論推導(dǎo)和算法實(shí)現(xiàn),分析了系統(tǒng)誤差和噪聲對測量