基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦测量系统

彩色共聚焦技术因其高分辨率、高测速的特点,在表面形貌测量领域备受关注,然而现有的彩色共聚焦技术多为单点测量,一定程度上限制了测量效率。本文在彩色共聚焦技术的基础上,以DMD作为光分束器件,结合自主研发的大口径色散管镜,利用面阵彩色相机作为光电接收器件,研究和建立了基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦实验平台,实现了对被测物面上多个探测点的并行图像处理。最终,利用所搭建的并行彩色共聚焦测量系统,对50μm高的台阶和自制台阶进行了测量,并对硬币的表面形貌进行了三维恢复。实验结果表明,该测量系统的轴向测量范围为300μm,测量精度达到微米级;同时,能够较好地恢复硬币的表面形貌特征,具有较好的测量效率与可靠性。     

多光谱3D成像方法

已有3D成像方法难以实现单目、单帧图像条件下同时获取场景图像及深度信息,也不能兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。为此,创新地提出多光谱3D成像方法,通过具有纵向色散的光学成像镜头与快照式多光谱图像传感器两部分构成图像采集系统,使用离焦深度还原算法获取深度信息。其基本原理为:首先,增强纵向色差光学镜头使得同一物点在不同光谱波段图像上的成像离焦程度不同;其次,快照式窄带多光谱图像传感器单帧曝光同时获取多幅窄带光谱图像;再通过离焦深度还原算法根据多光谱图像边缘梯度获取3D信息。实验采用纵向色散增强型光学成像系统及快照式多光谱相机捕获450±10 nm、525±10 nm、620±10 nm 3通道光谱图像,对5 m内场景进行3D深度恢复,获得了深度误差不高于5 cm的测量结果。实验结果表明多光谱3D视觉方法可以实现单目、所提单帧图像的深度估计。该方法能同时获得视觉及深度信息且无需空间位置配准及预先深度刻度,单帧图像处理平均耗时0. 186 s,图像采集系统尺寸为120 mm×77 mm×65 mm,其工作功率约为10 W,兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。因此,所提方法有望在无人驾驶及智能机器人等领域获得广泛应用。     

金刚石砂轮表面形貌测量系统

为了实现对金刚石砂轮表面形貌的非接触精密测量,开发了基于干涉原理的金刚石砂轮表面形貌专用测量系统,研究了该系统的测量原理和关键技术。根据垂直扫描白光干涉显微测量原理以及被测对象的特征,提出了适用于砂轮测量的方法,研究了系统的自动扫描范围、垂直方向的扫描方法、单次测量三维表面的恢复算法和磨粒的识别算法。结合自行设计的夹具搭建了砂轮测量系统,并对多次测量拼接算法进行了实验分析。实验结果表明:基于区域重合大小(重合度为30%~50%)的拼接算法获得的拼接前后重合区域的相关系数均大于0.8,拼接后重合区域的高度差均小于0.4μm。得到的结果显示所搭建的系统可以恢复砂轮的形貌,其测量范围和精度满足砂轮磨粒评定和分析的要求。     

任意方向上直线度误差的评定新方法

针对任意方向上直线度误差评定存在的非线性方程组求解困难、评定结果不精确、数据处理不能实现自动化等问题,提出将任意方向上直线度误差的评定问题,转化为给定平面内直线度误差与圆度误差的评定问题,推导数据处理方法与误差评定方法,并通过测量验证所提出方法的可行性。结果表明,所提出的方法不仅简单、易于计算机自动数据处理,而且评定精度比一般的方法提高约5%。     

高斯滤波在三维表面评定中的应用

表面粗糙度是影响物质表面技术性能的重要物理特征之一,随着现在工程表面要求的不断提高,二维评定已不能满足要求.高斯滤波为当今用滤波技术中的主要方法.本文分析了高斯滤波法在评定三维表面信息时的数学模型并给出高斯滤波本身的不足.为克服其缺点,本文引入了稳健高斯滤波原理并给出算法,最终通过实验证明了其有效性.     

ISO5436-2的表面形貌评定基准

为了评价仪器的软件和整体性能,根据ISO软件测量标准(SoftGauge)5436-2,应用过程仿真、以及实测电加工表面和实测珩磨表面得到的标准数据,研究了采用不同方法获得的表面形貌即粗糙度轮廓的评定基准,分别为高斯滤波基准、最小二乘中线基准和最小二乘曲线基准.给出了不同基准下ISO 4287定义的表面粗糙度轮廓典型参数的评定结果,包括Ra、Rq、Rp、Rv、Rsk、Rku等,分析了几种基准下各参数相对于标准结果的计算偏差.计算结果表明:对于仿真数据,3种方法的计算精度都比较好,仅仅参数Rsk在两个最小二乘基准下偏差较大,达50%左右;对于电加工表面数据,高斯基准下的各个参数偏差最小,其它两种基准下偏差稍大,而相对偏差较大的是Rsk和Rp,其中Rsk分别为3.55%和-7.45%,Rp分别为-3.45%和3.95%;对于含有跳跃点的珩磨表面,3种基准下的评定结果都有较大偏差,其中求均值运算的Ra、Rq的偏差稍小,其它较大,经过剔除处理后,Ra、Rq偏差仍然相对稍小,Rsk和Rp由较大偏差明显减小为稍小偏差,而Rku、Rp偏差没有明显改进,仍约为40%.总之,3种方法对奇异点较敏感,对无奇异点的粗糙度轮廓的常用参数评定结果基本一致.在评定一般精度、表面无明显周期波纹度成分和较大奇异特征时,对于常用表面功能评定参数,如Ra、Rq,选用原理简单、实现方便的最小二乘拟合基准即可满足要求.     

彩色共焦系统可调制色散物镜设计

针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题,采用色散和聚焦功能分离的思路设计了一款色散物镜,其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现,聚焦功能则采用商业物镜实现。使用ZEMAX软件对色散管镜的结构、材料及像差进行了设计及优化,仿真结果显示所设计的色散管镜在可见光范围内能获得优于230mm的轴向线性色散,实际加工的成品管镜的轴向线性色散范围可达160mm。实验测量了色散管镜及它结合不同聚焦物镜后的色散特性。实验结果表明,色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域;结合4倍和10倍放大倍率的商用物镜,分别获得了1 300μm和225μm的测量范围,其轴向分辨率分别为2μm和0.4μm,实现了测量范围和分辨率的调制。     

基于遗传算法的几何产品形位误差计算

几何产品形位误差的计算是机械制造领域中的关键问题,属于非线性优化问题,应用遗传算法的全局优化能力实现了对误差问题的精确求解.重点研究了算法的实现技术,包括统一计算模型的建立、适应度函数的确定、种群繁衍方式的设计等.采用谐波技术和实测实例对算法进行了验算.结果显示算法合理,计算精度高,对实现形位误差的精确计算具有重要意义.     

单层钎焊金刚石砂轮表面磨粒全场快速测量

为了快速获取单层钎焊金刚石砂轮表面全场磨粒的二维分布信息,提出了一种基于线阵相机的快速测量方法。对检测系统的原理、清晰无运动失真图像的获取、图像处理关键算法等进行研究。首先给出了检测系统的硬件构成与检测系统的工作原理；使用8方向模板的Sobel算子和标准件,完成相机对焦和运动失真图像矫正,然后对预处理的图像采用改进的阈值分割法Otsu算子对图像进行分割,最后实现了磨粒坐标及等效面积等二维特征量的提取。对磨粒有序排布的单层钎焊砂轮（粒度号35/40）进行测量实验，实验结果表明，系统从拍摄砂轮全场磨粒图像到获取磨粒坐标及等效面积所用的时间为77.4 s，可满足对单层钎焊砂轮的全场磨粒快速测量的要求。     

基于粒子群优化算法的金刚石砂轮磨粒边缘提取

为了实现对金刚石砂轮磨粒边缘的有效提取,将基于粒子群优化算法的Canny算子应用在金刚石砂轮磨粒的边缘检测上。用最大类间方差作为目标函数,优化Canny算子的阈值,实现边缘的有效提取。分别对实测的单颗磨粒和多颗磨粒进行了边缘提取,实验结果显示该算法可以较好地提取金刚石砂轮磨粒边缘。该方法不需要人为设定阈值,可以实现阈值的自动获取和优化。最后,利用四连通成分和八连通成分与像素总数的比值,将阈值可优化设定的Canny算子与传统的Canny算子以及最大类间方差的方法做对比,结果表明所应用的方法有效地提高了检测的准确性。