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基于面阵传感技术的圆柱度测量新方法

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    引言

    圆柱度是检验精密轴系零件加工质量的重要指标之一,其对机器、仪器的工作精度、寿命等性能具有直接的影响。高精度、高效率、规范化的零件圆柱度测量一直是计量领域中的研究热点。文献[1]在对ISOPGPS采样规范要求分析的基础上,通过采用典型测量仪器对零件圆柱度进行实测,探讨现行圆柱度测量中存在的局限性,指出现行测量方法的轴向采样频率和采样面密度过少,难以满足规范要求,从而导致测量与评定结果的不可靠性和不确定性。因此,针对存在的问题,可以探寻新的测量方法和应用技术,以有效提高轴向采样频率和采样面密度,实现圆柱度的准确测量和评定。然而,目前的传感器或采样技术尚不能通过一次采样而获得整个回转表面的全部面形信息。

    陈明仪等于1991年提出多孔径重叠扫描拼接技术[2-3]( mult-i aperture overlap scanning technique,MAOST),成功地用小口径干涉仪通过多孔径重叠扫描拼接方法,解决了大口径平面光学零件的高精度干涉测量问题,而后又被广泛应用于大相对孔径球面和非球面的干涉测量中[4],近年来该技术又成功地解决了对回转体表面作360b多视角采样所得数据的精密融合拼接[5]。该技术的发展无疑为圆柱度的测量提供了新策略。本文采用数字光栅条纹投射技术作为单视角(子孔径)测量手段,并基于多孔径重叠扫描拼接技术实现圆柱度测量。文中详细探讨测量原理、数学模型和拼接算法,并通过对样品轴的实测,验证新方法的精确性、可行性和可靠性。

    1 多孔径重叠扫描拼接技术

    1.1 多孔径重叠扫描拼接技术基本原理及应用

    多孔径重叠扫描拼接技术(简称多孔径拼接技术)是近十年来发展起来的一种适用于大型平面、自由曲面以及360b三维测量的新技术。多孔径拼接技术原理是利用多个小尺度子孔径重叠扫描,完成对大型表面的测量,从而克服大尺度的待测量表面与一般检测设备的有限测量孔径之间的矛盾。该项技术的关键在于,使相邻子孔径部分重叠,利用重叠区域面形信息建立各子孔径之间的相对空间位置关系,据此以坐标变换方式将各子孔径面形统一于同一坐标系下,从而消除检测仪器与待测表面之间相对机械误差运动的影响。

    多孔径拼接技术的研究起始于大型光学表面的干涉测量。图1为平面拼接测量示意图,由于单个孔径无法覆盖整个待测区域,因此将覆盖待测表面的孔径阵列拼合为完整的测量结果。测量中保持相邻孔径间部分重叠,由子孔径1移动到子孔径2的过程中,除去按名义平移距离Px和Py的运动外,还应全面考虑空间的六个自由度的方位误差,即关于x、y、w坐标轴的线位移误差$x、$y、$w,以及角位移误差$A、$B、$C,其中子孔径内任一点(xi,yi)的测得波前表示为wi(xi,yi)。由此,可以用齐次坐标精确表示孔径之间的变换关系[6]65-67

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