利用iGPS进行大尺寸空间坐标测量的不确定度评估

iGPS是一种基于激光旋转扫描定位的网络式大尺寸空间坐标测量系统。为分析系统的空间坐标测量不确定度,建立空间坐标测量模型,分析影响系统测量精度的误差源,利用蒙特卡罗法进行了仿真。针对其典型的四站网络测量系统,对系统的测量不确定度进行评估,获得系统的误差分布规律,为iGPS现场大尺寸精密测量系统的具体应用提供有利的支撑。     

被动式激光跟踪测量方法及其误差补偿技术

针对主动式激光跟踪仪跟踪测量系统复杂、研制成本高的问题,提出了被动式激光跟踪方法用于测量目标点的空间坐标。首先基于HTM方法建立被动式激光跟踪测量系统的误差分析模型,提出相关误差参数的检测方法,在对测量误差进行补偿后,被动式激光跟踪测量系统的空间坐标测量误差从550 μm降低为150.8 μm。为进一步提升测量精度,采集经误差补偿后的残余误差作为样本数据,利用BP神经网络对样本数据进行训练;利用训练好的BP神经网络模型对被动式激光跟踪测量系统的残余误差进行补偿,空间坐标测量误差从150.8 μm降低为51.6 μm。相较HTM误差补偿方法,HTM+BP神经网络模型的补偿效果提升了65.8%。     

薄壁管壳体环矢挤压缩径工艺仿真分析与研究

目的 针对空心薄壁件在缩径成形工序中力学性质难以观测且缩径成形加工效率较低的问题,提出一种使用18瓣环矢挤压模具进行环矢挤压一次性成形的缩径工艺,并研究了该工艺下薄壁管壳体的弹塑性变形规律。方法 以外径6.3 mm、壁厚2 mm、颈缩宽度1 mm的小尺寸薄壁管壳体（Q255材料）为研究对象,基于Barlat’96屈服准则和M–K沟槽理论,结合L.H.Donnell理论,建立管壳体环矢挤压缩径的塑性微元应力模型,通过ANSYS软件建立环矢挤压缩径工艺有限元模型,并进行数值模拟分析,获得管壳体环矢挤压过程中内壁面和颈缩区厚度方向的应力分布规律;最后进行实验验证,利用千分尺测量外径,采用应力测定仪测量中心位点应力,验证了该工艺下仿真结果的准确性。结论 颈缩区域宽径比越大,缩径成形越远离弹性区;内壁面的应力整体呈凸状分布;卸载后,壁厚方向的残余应力呈从外壁到内壁逐渐增大的线性分布趋势,缩径区中心点最大残余等效应力为319.76MPa,分布在挤压部位的内表面;经实验验证,内壁面中心位点的最大残余应力为183MPa,其与仿真分析结果（202.5MPa）的吻合度高达91.5%,验证了仿真结果的准确性...     

基于PSD的分离式长导轨直线度测量方法研究

利用分段拼接测量方法能够将PSD激光准直测量系统测量范围扩大,相较于传统长导轨直线度测量方法,该方法可同时适用于连续型导轨和分离式超长导轨的直线度测量。首先,在(-5～+5) mm测量范围内,通过激光干涉仪分别测得激光准直测量系统的接收靶在水平和竖直方向上的位移,误差均优于±(1μm+1%H)。然后,在40 m范围内与激光准直测量系统的直线度测量精度进行对比,二者水平方向直线度误差相差0.06 mm,竖直方向直线度误差相差0.13 mm。最后,在70 m分离式超长导轨上,测得水平方向直线度为0.50 mm,竖直方向直线度为0.53 mm。该方法可迅速定位和调整直线度误差极值点位置,能够较为有效地解决分离式超长导轨的直线度装配调试问题。     

大空间坐标测量网络的现场实时标定方法

大空间坐标测量网络主要由若干测量基站组成,为在测量现场完成网络的构建,并在测量过程中实时重新标定测量基站的空间坐标,通过对网络的测量原理及测量基站的结构进行分析,提出了模拟基站的标定模型。该模型将球形标靶作为模拟基站,并将模拟基站布置在特定位置上,可解决共面布局下测量网络的标定问题。为获取标定模型所需的距离信息,提出了主动扫描和寻心扫描两种瞄准测距方法。仿真标定实验结果表明,当测距精度为0.5 mm时,测量基站的坐标标定误差均值为2.1 mm。瞄准实验结果表明,两种瞄准方法所得测距值标准差分别为0.16 mm和0.34 mm,与测距精度相当。     

游标卡尺量爪引起的误差分析

游标卡尺为常用万能量具之一。本文试就其内外量爪引起的误差进行分析,供使用与检定修理时参考。一、外量爪 1.刀口宽度的影响三用卡尺外量爪,前端制成刀口状,以适应管子壁厚的测量。图1为用刀口量爪测量管子壁厚的情形。 t为测量面刀口宽度,R为管孔半径。由于宽     

射线束分析仪的单轴位移精确度校准研究

射线束分析仪在大型放疗设备的校准中有重要作用,其自身定位精确度在0.1 mm.通过搭建基于激光跟踪仪的位移测试系统,对射线束分析仪水平轴的定位精度进行测量校准.将测得的位移数据进行最小二乘拟合,使得拟合曲线上的各点位移与真实位移值之差的平方和最小,此时拟合曲线上各点位移值最接近真实位移.将拟合曲线上各点位移值与标准位移值做差,即可求得各点误差值.实验结果表明,在未使用小支架的情况下位移测量系统的基本误差为0.163 6%,利用小支架使激光跟踪仪光束不穿过水箱壁时,位移测量系统的基本误差为0.061 6%.实验系统可使射线束分析仪的单轴位移精确度达到0.01 mm精度级.     

一种提高双目视觉测量精度的逐步逼近方法

针对空间坐标对图象平面坐标的非线性光学映射关系,本文提出了逐步逼近实现３－Ｄ空间坐标计算的测量方法。该方法对摄象机的摆放姿态与双目传感器的装配精度要求较低,可去除介质折射产生的坐标计算误差。结合局部标定法,对摄象机光学系统的畸变误差进行校正。实验数据表明,在对双目传感器不提出较高要求的测量条件下,测量结果令人满意。     

傅里叶变换轮廓术中三维坐标同时校准方法

在相位测量型光学三维面形测量中,最终都要将相位信息转换成被测物体的高度分布信息,这个过程往往是通过对已知世界空间坐标的特征点事先标定,获得测量系统的内外特征参数后,完成被测物体的三维坐标转换.因此,标定是三维面形测量的关键环节.本文基于双向二次相位-高度映射方法和摄像机针孔模型线性无畸变标定技术,充分利用傅里叶变换的频谱方向特性,提出了对含有特征点的二维标定物表面变形条纹的频谱进行方向滤波操作,同时获取测量系统XYZ三个方向上的标定数据,对测量系统进行立体校准的系统标定方法.结合旋转风扇叶片形变的测量系统,给出了该方法的标定结果:在XY面内(230mm×230mm)的标准偏差小于0.27mm;在Z方向上小于0.022mm,位移测量灵敏度优于0.05mm.该方法为测量系统的实用化奠定了基础.     

双远心影像系统在微小结构测量中的应用

为适应精密元器件微小结构测量的需求,建立一种基于线结构光扫描的影像测量系统。系统采用自行研制的低畸变(优于0.02%)、大景深(大于5 mm)双远心光学镜头,在景深范围内,物像映射矩阵呈现良好的线性关系。对测量图像噪声抑制方法及结构光图像中线提取算法进行研究,用线性映射算法还原工件轮廓,实现微小结构的快捷测量。为保证测量的稳定,系统选择线激光光源并引入窄带滤光片,有效抑制背景噪声,在5 mm量程内,一阶误差补偿后的测量误差控制在-10~10μm内。测量系统对工件定位要求低,适用于精密零件台阶、倾角及微小异型面的常规测量,可满足基本的工业及计量检测要求。     

Application of modulation measurement profilometry to objects with surface holes

We present a detailed discussion of how modulation measurement profilometry (MMP) is applied to measuring an object that has holes on its surface. MMP is not based on the conventional three-dimensional profilometry method with structured light triangulation but on modulation measurements; it has the advantage of measuring the surface of a test object by perpendicular projection, that is, the direction of the CCD camera is the same as that of the projecting light, and the wrapped phases need not be calculated. Thus the difficulties from shadows and spatial discontinuities in phase measurement profilometry and Fourier transform profilometry methods do not exist in MMP. Here we measure a wheellike object that is 31.5 mm thick with an outer diameter of 80 mm and an inner diameter of 20 mm. All the object seen with the CCD camera can be measured including the hole. Experimental results prove that this method is useful for three-dimensional profilometry measurement, especially for objects with discontinuous height steps and spatial isolation.     

Application of the astigmatic method to the thickness measurement of glass substrates

We developed a high accuracy thickness measurement system for glass substrates based on the optical design of the astigmatic method. The astigmatic optical system includes a laser diode, a cylindrical lens, a convex lens, and a quadrant detector. This method measures the astigmatic focusing error signal induced from the measured glass placed in the astigmatic optical system. The astigmatic focusing error signal is converted into the thickness of the glass substrate. The proposed glass thickness measurement system is verified by using a coordinate measuring machine (CMM). The accuracy of the proposed system is 0.2 microm, with a standard deviation of 0.7 microm within the thickness measuring range of 1.2 mm.     

基于环形光切图像法的管内壁激光测量系统

研制了基于环形光切图像法的管内壁测量系统。测量系统主要由半导体激光器、环形光发生器以及CCD摄像机组成。来自光环发生器的环形光带投射于被测管内壁上并成像于CCD摄像机。根据光散射和反射的理论,测量系统参数被选择以优化系统。实验结果显示原理正确、技术可行。     

面向机器人标定的单激光跟踪仪顺序多站式测量系统建模与分析

为实现大型串联工业机器人的高精度标定,搭建了一种单激光跟踪仪的顺序多站式测量系统。该系统仅需单台激光跟踪仪,先后在不同的基站位置对工业机器人的末端位置进行独立测量,并基于多边测量方法计算机器人的末端位置。计算过程中仅需激光跟踪仪的距离信息,有效地优化了末端位置的测量不确定度。首先,建立了该测量系统的仿真模型,深入地分析了测量点的数量与分布形状、测量距离以及工业机器人定位精度等因素对系统测量精度的影响;然后,依据分析结果确定单激光跟踪仪顺序多站式测量系统的搭建方案。实验结果表明:该系统在2.5 m距离上的测量误差仅为0.023 mm,优于激光跟踪仪的测量精度,满足大型串联工业机器人参数标定的测量精度要求。     

利用光强信息的结构光图像轮廓提取修正方法

在用激光三角法对同质物体进行三维探测中,可能因为条纹缺陷等原因出现轮廓提取误差。这种误差用诸如中心线或者权重法等一般轮廓提取方法无法得到正确的结果,因此提出一种利用光强信息进行修正的新方法。通过自行搭建的试验装置获得原始光强图像,由中心线法提取带有误差的轮廓,再使用光强分布对其进行修正。根据物体表面光强与表面法线方向的关系,用逐次逼近的方法验证物体表面的法线方向。通过理论推导计算以及和之前获得的轮廓进行比较,得到修正值。在测量标准高度为 40.1mm 的物体表面时对出现的条纹缺失进行修正,与传统方法相比,测量结果从 38.4mm 改善到 39.4mm,误差从 4.23%减小到 1.75%。     

基于激光跟踪仪折射补偿的三维模体定位精度原位检测方法

提出了基于激光跟踪仪折射补偿的三维模体定位精度原位检测方法,建立了ADM和IFM测距误差补偿与靶球空间位置坐标求解模型,进行了理论模型验证实验与三维模体定位精度检测对比实验,实现了激光跟踪仪在玻璃介质下的高精度测量。实验结果表明:X、Y、Z坐标补偿前后的平均偏差分别由3.410mm、0.407mm、1.732mm减小到0.022mm、0.015mm、0.035mm,相邻点距离的平均偏差由0.266mm减小到0.017mm,与空气中激光跟踪仪的测量精度相当。在此基础上,以无玻璃遮挡的悬挂式检测方法为基准,两种方法测得的定位误差基本吻合。最后,利用蒙特卡洛法分析得到相邻点距离测量误差的标准差为0.012mm,满足检测要求。     

基于热成像的材料热扩散率测量方法研究

将一种基于热成像的薄片材料热扩散率测量方法的理论模型由二维拓展到三维,以适用于更大厚度材料的热扩散率测量。指出该方法适用的特征条件为:Z向空间导数值与材料表面和周围环境的温度差值为线性关系。仿真分析了传热距离与激励时间对特征条件的影响以及相关的信噪比问题,并在304不锈钢材料实测实验中依照仿真分析设置传热距离和激励时间以满足特征条件,结果显示厚度为1 mm和2 mm的不锈钢材料测量偏差均在3.0%以内,厚度为5 mm的不锈钢材料测量的偏差为4.1%,从而扩大了该测量方法的适用范围。     

激光内径测量系统参数校正及算法优化

基于激光位移扫描的大尺寸内径测量系统中,测量数据存在多个系统误差参数并易受到粗大误差的影响.在分析该系统工作原理的基础上,分析了测量传感器安装倾斜误差和回转臂偏心误差,并提出了相应的校正补偿方案.针对动态测量、管壁划痕、斑迹等引入的粗大误差对测量数据的最小二乘圆拟合精度影响较大的问题,提出了一种剔除粗大误差的方法:根据最小平方中值法构建基准圆,剔除孤立点,再用最小二乘法拟合,实验结果表明该算法的精度优于直接最小二乘法5倍.     

Noncontact Laser Inspection Based on a PSD for the Inner Surface of Minidiameter Pipes

A new noncontact laser-inspection technique based on a position-sensitive detector (PSD) to inspect the inner surface of minidiameter pipes is proposed, and the corresponding sensor is developed. A light spot is projected onto the pipe inner wall after the laser beam is reflected by two mirrors. At the same time, four current signals are produced when the light spot is read by the 2-D PSD. According to the magnitude of the current signals and the structure parameters of the sensor, the spot position on the inner wall can be calculated in a local 3-D coordinate system. With a micromotor, the surface of the whole inner wall can be scanned by the laser beam. This way, the coordinates of all the sample points in the section are obtained. After that, several reasonable data-processing methods are used, such as data segmentation and least squares fitting. Finally, the section curve can be reconstructed. The radius and defects of the section can also be obtained. Driven by a micropipe robot, the sensor can inspect a long curved pipe. The inspection system based on this technique can detect the inner surface of minidiameter pipes, which has an inner diameter of 9.5–10.5 mm and a curvature radius of more than 100 mm. The measurement accuracy of this inspection system for the inner diameter and surface defect reaches $pm$0.1 mm.      

Accuracy verification of a simple local three-dimensional displacement measurement method of DIC with two images coordinates

There are two methods applied for three-dimensional digital image correlation method to measure three-dimensional displacement. One is to measure the spatial coordinates of measuring points by analyzing the images. Then, the displacement vectors of these points can be calculated using the spatial coordinates of these points obtained at different stages. The other is to calibrate the parameters for individual measuring points locally. Then, the local displacements of these points can be measured directly. This study proposes a simple local three-dimensional displacement measurement method. Without any complicated distortion correction processes, this method can be used to measure small displacement in the three-dimensional space through a simple calibration process. A laboratory experiment and field experiment are carried out to prove the accuracy of this proposed method. Laboratory test errors of one-dimensional experiment are similar to the accuracy of the XYZ table; the error in Z-direction is only 0.0025% of the object distance. The measurement error of laboratory test is about 0.0033% of the object distance for local three-dimensional displacement measurement test. Test and analysis results of field test display that in-plane displacement error is only 0.12 mm, and the out-of-plane error is 1.1 mm for 20 m × 30 m measuring range. The out-of-plane error is only about 10 PPM of the object distance. These test and analysis results show that this proposed method can achieve very high accuracy under small displacement for both of laboratory and field tests.