容栅技术在曲面测量中的应用研究

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1、吉 林 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文原创性声明本人声明: 所呈交的硕士学位论文， 是本人在指导教师的指 导下， 独立进行研究工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的 内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的 作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文 中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承 担。学 位 论 文 作 者 签 名 : 弄斤 丸日 期: 2 -,r o 3 年6月i 8日吉 林 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文关于论文使用授权的说明本人同意学校有权保留并向国家有关部门送交学位论文的 复印件，允许论文被查

2、阅和借阅。 同意学校及国家有关机构有权公布论文的全部或部分内容 并采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文 作 者 签 名: 子万 丸r指导教师签名日 期: 2 砂 口 于 6 , ) a日 期 一卿; 7 / 犷吉 林 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文提要我的研究生学习和论文工作是按导师宋玉泉教授提出的“ 科、 教、 产”一体化的模式进行的。 “ 科” 是指科学研究， 论文的工作密切结合吉林省科 技厅项目“ 凸、凹曲 面测量仪的 研制”( 批准号: 2 0 0 0 0 1 5 1 ) ，而且是吉林大学超塑性与塑性研究所关于超塑性与塑性精密加工中的仪器、仪表及测量技术研究分支的组

3、成部分; “ 教” 是指人才培养， 我在顺利通过研究生课 程学习和论文开题报告之后，在导师指导下，己完成论文的全部内容，进行了一轮理论联系实际，独立完成设计、研制及分析问题、解决问题能力的培养和锻炼; “ 产” 是指结合学位论文， 要对生产力的发展做出贡献。 本论文 “ 容栅技术在曲面测量中的应用研究”首先对容栅测量技术和现有曲面测量方法进行了系统的分析， 进而根据我的导师宋玉泉教授的实用新型 专利 “ 便携式凸凹曲面测量仪”( 专利号:Z L 0 0 2 6 8 2 9 7 .4 )的创新思想，并在我的助导师王习文所完成的便携式凸凹曲面测量仪的基础上，改进了原有设计，提出了借用容栅技术的非球

4、曲面测量仪方案。采用正反向螺杆代替了原专利的啮合齿轮，消除了齿轮啮合侧隙的问题，提高了测量仪左右脚同步的精度;用容栅传感器和电子数显装置取代原专利的千分表，消除了人为的读数误差，采用单片机与数显表的接口相连，实现了对数据的智能采集和存储，并通过内部的固化程序直接给出所测物体表面轮廓的曲率半径。 据此， 研制了两套测量仪的样机， 并进行了实际测量的误差分析，得出误差、张角弦长和待测工件曲率半径的关系曲面。为该产品的开发提供了良好的条件。作者签名: 弄斤 欠 /2 0 0 3 年 0 6月 1 8日吉 林 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文第一章 绪论1 . 1 、非球面测量方法及测量仪复

5、杂曲面的测量一直以来都得到工业发达国家的重视， 许多国家投入大量的 人力、 物力进行这方面的 研究， 并已 取得突破性的进展 1 - 4 11 . 1 . 1 、目 前曲面测量的主要方式目 前三维曲 面轮廓的测量方法有很多， 如三座标机测量法s 1 、 摄影测量法6 1 、 光栅 投影测 量法 8 1 、 激光扫描 测量法8 -9 等， 就其测量方式而言， 一 般分为接触式测量和非接触式测量两类。 国内外广泛使用的三座标测量机大多属接触式测量， 而各种光学测量方法则属非接触式测量。 接触式测量具有操作直观、 精度高等优点， 但其测量要求有一定的测量压力( 0 .7 - 1 .O m N之间)

6、，因而难以 检测易碎、 易变形或不能直接接触的物体表面。 非接触式测量克服了上述缺点， 但测量的精度受系统分辨率的限制。 下面就接触式测量与非接触式测量方法对曲面测量的发展现状予以扼要评述。三维曲面的接触测量根据被测零件的几何特性， 可将其分为两大类: 一类零件的主要表面或被加工部位由标准体如立方体、 矩形体、 圆柱体、 球体、锥体等构成， 这类零件比较常见， 如轴类、 箱类等，其形状比较规范， 一般只需测出其一条母线或一个型面的形状， 通过对称关系或绕某一特定的轴线旋转即可得出整个曲面的形状， 故易于测量且精度高; 另一类零件的主要表面或加工部位由空间自 山曲 面构成，常见的有汽车、飞机覆盖

7、件模具 ( 凸、凹模) 、注塑模、轮机叶片及轮船壳体的外形件模具等，其表面形状比较复杂，测量比较困难， 测量精度低， 尤其是内曲面测量更是如此。接触式测量常用的仪器有各种表面轮廓仪( 适用于小型曲面的测量，如哈尔滨量具刃具厂生成的 2 3 0 2 型表面轮廓测量仪等) 和三坐标测量机( 适用于各种大、中型第 一 章绪 论曲面的测量，如哈尔滨量具刃具厂生成的6 8 0 1 , 6 8 1 1 型三坐标测量机等) 。三维曲面的非接触测量主要采用光电结合的方法， 由于当今光栅及计算机技术的迅猛发展， 使得图像分辨与信息处理技术日 趋成熟， 因而高分辨率、无破坏、 获取信息量大的非接触光学测量被认为是

8、目 前最有前途的三维轮廓曲面测量手段。光学曲 面轮廓的测量方法从技术上而言，主要可分为两类:一类称为直接三角法;另一类称为相位测量法。直接三角廓测量技术包括激光逐点扫描法、 光切法和新近兴起的二元编码图样投影法。 这些方法都是以纯粹的三角测量原理为基础， 通过出射点、 投影点和成像点三者之间的几何成像关系确定物体各点高度。 激光逐点扫描法用一个激光点光源扫描物体，由 C C D摄像机采集物体表面形成的漫反射光斑作为传感信号以确定物体的表面形貌。 将三角测量法的电光源改为线光源， 相应的线阵改为面阵摄像头，就得到了光切测量法， 这相当于多个三角测量系统的并联。实际测量时，将被测物体绕轴旋转一周，

9、 进行2 n弧度全轮廓摄像，从空间的旋转关系中找出所测曲面各点对应图像的匹配关系， 输入计算机处理，即可得到曲面的相关参数。 二元编码图样投影法采用时间或空间编码的二维光学图样投影，目前这方面的研究还不太多， 但这种方法能够大大提高测量速度， 是一种很有前途的三角测量法。 综上所述， 直接三角法测量三维轮廓时信号的处理简单可靠， 无须复杂的条纹分析就能唯一确定各个测量点的绝对高度信息， 并自 动分辨物体凸凹， 即使物体上的物理间断点 ( 台阶、孔) 使图样不连续，也不会影响轮廓的测量。相位廓测量技术是利用光栅图样投影到被测物体表面时， 周期性光栅的相位就受到物体表面高度轮廓的调制，形成携带有三

10、维信息的变形光栅， 之后利用计算机处理变形光栅从中提取这些三维信息， 实现对被测物体表面三维轮廓的非接触测量。根据所采用的处理手段，相位测量法可分为:莫尔拓扑法、 傅立叶变换轮廓法、 相位步进法。莫尔拓扑法是在观察位置放吉 林 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文置一个与投影光栅匹配的参考光栅来形成莫尔条纹， 用以测量物体的三维拓扑形状。莫尔法直观， 处理的面积大， 但其精度低， 特别是重复性差、 光学装置的调整复杂。 此法可以对物体表面进行定性观测， 适合于不需对每点进行测量而只需获取三维轮廓形状的场合， 而且仅拍.摄一副光栅像即可。 傅立叶变换轮廓法直接对条纹进行分析解调出相位， 不

11、用参考光栅解相， 因此不存在莫尔条纹造成的不足， 因而大大降低了对光学装置的要求， 而且傅立叶轮廓变换法直接测量光栅的相位， 具有较高的灵敏度， 受图像灰度抖动的影响小， 故重复性好。 但此法也有不足: 测量需拍摄两幅光栅图像， 数据处理时需进行傅立叶和反傅立叶变换， 计算量大， 耗时长， 不适合现场加工的在线测量。 相位步进法要求投影光栅为正弦光栅， 采用错位偏振干涉计或用矩形光栅离焦方法获得正弦分布的投影光栅场， 它与傅立叶轮廓变换法一样克服了莫尔条纹带来的困难， 能较好的应用于三维旋转体表面轮廓的测量， 但实际制作正弦型分布的投射光栅有一定的困难， 存在系统的误差， 必然会使测量精度下降

12、。1 . 1 . 2 、非球曲面测量仪简介我的导师宋玉泉院士在研究超塑自由胀形变形规律的过程中， 为了 解决轴对称旋转曲面测量的疑难问题，早在 1 9 9 6 年就提出了便携式非球曲面测量仪的原理和结构设计方案，他的学生王习文在这个思路下，于2 0 0 1 年研制出了一套便携式非球曲面测量仪。 只要测出曲面上某些特定点的曲率或曲率半径， 便可描绘出曲面的几何形状。 便携式非球曲面测量仪即是通过测量圆弧面的弦高， 再利用数学上的简单公式即可测算出凸、 凹面的曲率或曲率半径， 进而描绘出 整个曲 面的几何形状 1 0 1 ， 如果将容栅传感器应用于便携式非球曲面测量仪则可大大提高测量的精确性。 其

13、特点是: 分辨率高， 没有人为读数误差， 可以输出测量数据， 并应用于自 动测量或与计算机联机组成测量系统， 因而也是计算机辅助质量管理系统中的一种重要工具， 其应用有第 一 章绪 论望得到普及。1 . 2 、容栅传感器容栅技术是指使用容栅传感器作为位移检测元件， 由 大规模集成电路进行A / D 转换和数据处理， 将线位移量或角位移量转换为数字显示的一种新技术。容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的，是在光栅、磁栅、 同步感应器之后出现的一种新型传感器， 它具有结构简单， 抗干扰性强， 功耗小， 量 程大 ( 可 达 6 0 0 m m ) , 容易实 现机电 一体化的 特点 1

14、 1 - 14 ) 。 现己 应用于数显量具 ( 如数显卡尺、 数显千分尺) 及机器手的自 动定位中 p s 11 . 2 . 1 , 容栅 传感器的 基本类型及工作原理11 6 - x 2 1容栅传感器有长容栅和圆容栅两种，它们的结构原理如图 1 - l a , b , c所示。图1 - 1 a 是长容栅。图中1 为定尺， 2 是动尺， 在它们的A , B 面上分别印制 ( 或刻划) 一系列相同尺寸分布并互相绝缘的金属 ( 如铜箔) 栅状极B面上栅极形状A , B 面上栅极形状璐。心A Y 卜一/ “ # -寸一贡口2 】图1 - 1 容栅传感器结构原理图 和C - X( 或( d )C -

15、 a ) 关系曲 线 F i g . 1 一 1 c a p a c it y t r a n s d u c e r s t r u c t u r e p r i n c i p l e a n d C - X ( o r C - a ) r e l a t i o n c u rv e吉 林 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文片， 形状见图。 将定尺和动尺的栅极面相对放置， 其间留有间隙， 形成一对对电 容 ( 即容栅) ，这些电 容并联连接。根据电场理论并忽略边缘效应， 其最大电容量为_E a b C，、=n-一b -式中n动尺栅极片数;。 极板间 介质的介电 常数， 。 二

16、。 。 。 r ( 。 为极板间 介质的相对介电 常 数，。 。 为 真空的 介电 常数，e o = 8 0 8 5 4 x 1 0 - “ F . 二 一 ， ) ;6 极板间的距离;a 和b 分别为栅极片长度和宽度。最小电 容量理论上为零，实际上为固定电容c o , c o 称为容栅固有电容。当动尺沿x 方向 平行于定尺不断移动时， 每对电容的相对遮盖长度a 将由大到小，由小到大的周期性变化，电容量值也随之相应周期变化，如图 1 - l d所示。经电路处理后，则可测得线性位移值。图1 - 1 6 为片状圆容栅。 它由同轴安装的固定圆盘 1 和可动圆盘2 组成，A , B面上的栅极片制成辐射的扇形，尺寸相同均布并互相绝缘。其工作原理与长容栅相同。最大电容量为2 2 C m a , =ne al r z 一i式中r , , r , 圆盘上栅极片外半径和内半径;(X 每条栅极片对应的圆心角 ( r a d ) o片状圆容栅的 一曲线见图1 - l d o图 1 - l c为柱状圆容栅。它是由同轴安装的定子 ( 圆套)1