渦輪、汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等大型工件表面三維形貌測(cè)量

1、王金棟3012202020渦輪、汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等大型工件表面三維形貌測(cè)量雪原PPT工作室關(guān)于三維形貌測(cè)量三維形貌測(cè)量發(fā)展現(xiàn)狀常見的幾種測(cè)量方法相位掃描技術(shù)測(cè)量三維形貌實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析雪原PPT工作室三維形貌測(cè)量的背景現(xiàn)狀 經(jīng)典的幾何量諸如長度、角度、平面度、直線度等的測(cè)量技術(shù)與檢測(cè)手段已經(jīng)日益成熟。 傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)?nèi)容和測(cè)量方式已經(jīng)不能滿足需要。 物體的外形及外形數(shù)據(jù)的獲取成為人們?cè)跍y(cè)量領(lǐng)域一個(gè)的重要的研究方向。雪原PPT工作室 大尺寸的不規(guī)則自由曲面、形體形貌的三維測(cè)量，如模具外形、渦輪設(shè)計(jì)、汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，如何快速、高精度地獲取大型物體三維表面數(shù)據(jù)，如粗糙度等成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中一個(gè)亟待解決

2、的難題。發(fā)展方向雪原PPT工作室 國內(nèi)外在該方向上作了大量研究，通過在傳統(tǒng)的二維觸針式輪廓儀基礎(chǔ)上增加一維移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了三維測(cè)量。 國際上最為著名的是英國Rank Taylor Hobson公司，他們推出過一系列比較成熟的產(chǎn)品，并在生產(chǎn)實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用。其代表性的產(chǎn)品是Taylor Scan 3D scanner型具有高速掃描頭的表面三維輪廓儀。另外美國ZYGO公司也推出了Dektak series V型接觸式表面輪廓儀。接觸式測(cè)量方法的測(cè)量精度較高、量程大、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好，此外它還可以作為其他形貌測(cè)量技術(shù)的比對(duì)方法。雪原PPT工作室三維形貌測(cè)量的應(yīng)用三維形貌測(cè)量的應(yīng)用雪原

3、PPT工作室雪原PPT工作室雪原PPT工作室機(jī)械探針式測(cè)量方法光學(xué)探針式掃描探針式測(cè)量方法掃描電子顯微鏡測(cè)量方法位相干涉測(cè)量方法雪原PPT工作室發(fā)展現(xiàn)狀方法方法優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)精度精度機(jī)械探針式較大橫向和縱向測(cè)最范圍、接觸式測(cè)量、易損傷被測(cè)表面、測(cè)量時(shí)間也較長，儀器測(cè)量方法價(jià)格比較便宜縱向分辨率01nm 橫向分辨率02um光學(xué)探針式非接觸測(cè)量、對(duì)物體表面無損傷、使片方便、快速、簡(jiǎn)單、信息量大、測(cè)量時(shí)間較長、需要高精度調(diào)焦系統(tǒng)、儀器價(jià)格貴縱向分辨率1nm 橫向分辨率O1pm掃描探針式測(cè)量精度最高、縱向和橫向測(cè)量范圍都狹窄、對(duì)操作環(huán)境要求商、涉及的技術(shù)難題多、操作復(fù)雜儀器價(jià)格也非常昂貴縱向分辨率0.1

4、nm橫向分辨率0.1nm掃描電子顯微鏡利用聚焦的非常細(xì)的電子束作為電子探針進(jìn)行測(cè)量。適合定性測(cè)量、真空環(huán)境操作、操作復(fù)雜，測(cè)量費(fèi)時(shí)縱向分辨率10 nm橫向分辨率2nm雪原PPT工作室需要在兩干涉光間引入頻差、只能在空間位置上作逐點(diǎn)測(cè)量、精度較高、系統(tǒng)復(fù)雜應(yīng)用較少具有較高信噪比、測(cè)量速度慢、數(shù)據(jù)量干涉大、數(shù)據(jù)分析繁雜、在面形測(cè)量應(yīng)用較少對(duì)外界振動(dòng)和空氣紊流不敏感、空間載波難確定、難避免頻率混疊帶來誤差差、能測(cè)動(dòng)態(tài)相位、適用與干涉條紋瞬變的情況結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)制方便、全場(chǎng)測(cè)量、高測(cè)量速度和精度、應(yīng)用越來越廣泛雪原PPT工作室 相移干涉技術(shù)、術(shù)是一種定量的波前測(cè)量技術(shù)，相移干涉術(shù)被廣泛地應(yīng)用在光學(xué)測(cè)試和

5、測(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域，如：斑點(diǎn)條紋干涉、數(shù)字全息術(shù)以及三維輪廓術(shù)等。 相移技術(shù)與干涉顯微鏡相結(jié)合測(cè)量物體微觀表面輪廓，是八十年代以來發(fā)展的技術(shù)。美國亞歷桑那大學(xué)的博士研究生對(duì)干涉顯微鏡進(jìn)行了改裝，將顯微鏡中的參板固定在一塊筒狀壓電陶瓷上，通過計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)參考板沿光軸方向勻速移動(dòng)，使參考光與測(cè)量光之間的相位差隨時(shí)間作線性變化，利用CCD面陣探測(cè)干涉場(chǎng)上各點(diǎn)的光強(qiáng)，從N幀光強(qiáng)算式中提取每一點(diǎn)的相位值，由相位與被測(cè)表面各點(diǎn)高度轉(zhuǎn)換關(guān)系式，可獲得被測(cè)表面輪廓的高度分布。這一系統(tǒng)雖然是性能較為優(yōu)越的表面測(cè)量?jī)x器。隨后，相移干涉術(shù)得到了長足的發(fā)展，但它的發(fā)展主要是指一些相位提取算法、相位解包裹算法等方

6、面的發(fā)展。關(guān)于相移干涉法關(guān)于相移干涉法雪原PPT工作室相位掃描技術(shù)測(cè)量表面三維形貌示意圖雪原PPT工作室雪原PPT工作室雪原PPT工作室表面輪廓的相位計(jì)算相位提取算法：相位提取算法： 理論上，只需要三次相移測(cè)量就可以計(jì)算得到被測(cè)面每一點(diǎn)的相位信息，任何一種相位提取算法都會(huì)給出真實(shí)的相位值，并且所有算法都會(huì)得出相同的結(jié)果。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種誤差以及噪聲干擾的影響，不同的相位提取算法對(duì)誤差因素的敏感程度不同，比如適當(dāng)?shù)脑黾硬蓸拥拇螖?shù)會(huì)減小相移誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。相移次數(shù)N的選擇也是根據(jù)算法對(duì)噪聲的敏感程度的選取的，一般來說采樣次數(shù)N越大，位相測(cè)量誤差越小。雪原PPT工作室 N幀算法又稱滿

7、周期等間距算法或同步探測(cè)法。這種算法在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行等間距采樣，設(shè)采樣次數(shù)為，每次的相移量為=i2/N，則引入的干涉光場(chǎng)可表示為：根據(jù)三角函數(shù)的正交性求解，所得的相位表達(dá)式為：表面輪廓相位計(jì)算雪原PPT工作室相位去包裹算法 由上式計(jì)算出的相位分布妒(x，y)，是被截?cái)嘣诜凑泻瘮?shù)的主值范圍內(nèi)的，其值域定義在-/2與/2之間。 可將主值范圍擴(kuò)展到-到 。相位分布在-到斷點(diǎn)處的數(shù)值為m*2(m為整數(shù))，稱為受模2所包裹。為了從相位函數(shù)中計(jì)算被測(cè)物體的高度分布，必須將由于反正切函數(shù)運(yùn)算引起的截?cái)嘞辔换謴?fù)成原有的連續(xù)相位分布，這個(gè)過程稱為相位去包裹。下圖為包裹在之間及去包裹后的相位分布示意圖。雪原PPT工作室 上圖中輪廓線的相位去包裹是在一維方向上的擴(kuò)展。具體做法是：在相位圖中沿著行方向掃描，當(dāng)出現(xiàn)相位截?cái)?兩個(gè)相鄰像素點(diǎn)的差值超過)時(shí)增加或減少2 。即在展開的方向上比較相臨兩個(gè)點(diǎn)的相位值，如果差值小于- ，則后一點(diǎn)的相位值加上2 ；如果差值大于+ ，則后一點(diǎn)的相位值減去2 。雪原PPT工作室三維曲面的形成：雪原PPT工作室誤差的出現(xiàn)可能由以下原因所致：1雜散光的引入對(duì)測(cè)量