基于白光相移干涉法的表面三維微觀輪廓測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、在生產(chǎn)加工過(guò)程中，隨著光學(xué)元件、微機(jī)械以及其它各種零件精加工表面的不斷出現(xiàn)，對(duì)零件表面的性能要求越來(lái)越高。相應(yīng)地，對(duì)零件表面微觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的測(cè)量及評(píng)定也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的二維測(cè)量和評(píng)定雖然測(cè)量手段和評(píng)定方法比較完善，但二維測(cè)量和評(píng)定不能全面真實(shí)地反映出表面的微觀狀態(tài)，也不能和表面功能建立起很好的聯(lián)系。而表面三維微觀輪廓和三維粗糙度參數(shù)由于能更全面、更真實(shí)地反映零件表面的特征及衡量表面的質(zhì)量而越來(lái)越受到重視，因此表面三維微觀輪廓的測(cè)

2、量及三維粗糙度的評(píng)定的研究顯得非常重要。
　　在分析和總結(jié)國(guó)內(nèi)外非接觸表面三維微觀輪廓測(cè)量技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，論述了表面三維微觀輪廓測(cè)量技術(shù)主要采用光學(xué)測(cè)量法，其顯著特點(diǎn)是將傳統(tǒng)光學(xué)計(jì)量技術(shù)與信息光學(xué)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)表面三維微觀輪廓的測(cè)量。目前，已經(jīng)研究出多種光學(xué)測(cè)量方法，而白光相移干涉法以其測(cè)量范圍大、調(diào)制方便、實(shí)時(shí)快速、高精度及全場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到表面三維微觀輪廓測(cè)量中。然而該技術(shù)仍然存在著白光相移干涉

3、中零級(jí)條紋相位偏移、相移誤差引起輪廓解調(diào)誤差等問(wèn)題。
　　本文圍繞三維表面微觀輪廓測(cè)量及評(píng)定這一主題，針對(duì)白光相移干涉三維微觀表面檢測(cè)系統(tǒng)中存在的不足，以白光相移干涉測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，采用白光為干涉光源，以邁克爾遜干涉儀為主體，由相移微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、CCD攝像頭、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)表面三維微觀輪廓測(cè)量技術(shù)展開(kāi)了較為全面的理論與實(shí)驗(yàn)研究，主要?jiǎng)?chuàng)新性工作和研究?jī)?nèi)容包括:
　　1.通過(guò)對(duì)目前三維微觀輪廓解調(diào)算法的研

4、究與分析，提出了數(shù)字濾波和二次曲線擬合的算法，解決了在白光相移干涉中零級(jí)條紋相位偏移的問(wèn)題。與其它解調(diào)算法比較，該算法可以有效地提高白光干涉圖像中零級(jí)條紋位置的識(shí)別精度;
　　2.提出了對(duì)相移微位移驅(qū)動(dòng)器采用PID閉環(huán)控制與蠕變補(bǔ)償控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，解決了由于相移誤差帶來(lái)的輪廓解調(diào)誤差。該方法利用光學(xué)杠桿和PSD構(gòu)成微位移檢測(cè)回路，將相移微位移動(dòng)器的微位移量反饋至控制系統(tǒng)，建立PID閉環(huán)控制。根據(jù)壓電陶瓷蠕變特性對(duì)測(cè)量過(guò)程

5、的影響，建立了“電壓蠕變”補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)了基于PID閉環(huán)控制與蠕變補(bǔ)償控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，使相移得到精確控制，提高了表面三維微觀輪廓的測(cè)量精度。
　　3.根據(jù)所提出的表面粗糙度測(cè)量中高斯濾波器的B樣條函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)對(duì)變分原則引入約束條件，并結(jié)合小尺度高斯濾波器級(jí)聯(lián)的特性，得出了一維高斯濾波的逼近濾波器。將一維高斯濾波器推廣到二維情形，建立了表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波基準(zhǔn)面。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該濾波器能夠滿足對(duì)濾波器高精度、