涡轮、汽轮发动机叶片等大型工件表面三维形貌测量.ppt

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时间:2021-04-10

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1、王金栋3012202020涡轮、汽轮发动机叶片等大型工件表面三维形貌测量目录1关于三维形貌测量2三维形貌测量发展现状3常见的几种测量方法4相位扫描技术测量三维形貌5实验结果及误差分析三维形貌测量的背景现状背景一背景二背景三经典的几何量诸如长度、角度、平面度、直线度等的测量技术与检测手段已经日益成熟。传统的测量内容和测量方式已经不能满足需要。物体的外形及外形数据的获取成为人们在测量领域一个的重要的研究方向。大尺寸的不规则自由曲面、形体形貌的三维测量,如模具外形、涡轮设计、汽轮发动机叶片等,如何快速、高精度地获取大型物体三维表面数据,如粗糙度等成为现代工业发展中一个亟待解决的难题。发展方向发

2、展现状国内外在该方向上作了大量研究,通过在传统的二维触针式轮廓仪基础上增加一维移动,从而实现了三维测量。国际上最为著名的是英国RankTaylorHobson公司,他们推出过一系列比较成熟的产品,并在生产实际中获得了广泛的应用。其代表性的产品是TaylorScan3Dscanner型具有高速扫描头的表面三维轮廓仪。另外美国ZYGO公司也推出了DektakseriesV型接触式表面轮廓仪。接触式测量方法的测量精度较高、量程大、测量结果稳定可靠、重复性好,此外它还可以作为其他形貌测量技术的比对方法。三维形貌测量的应用三维形貌测量的应用几种测量方法1机械探针式测量方法2光学探针式3扫描探针式测

3、量方法4扫描电子显微镜测量方法5位相干涉测量方法发展现状方法优缺点精度机械探针式较大横向和纵向测最范围、接触式测量、易损伤被测表面、测量时间也较长,仪器测量方法价格比较便宜纵向分辨率0.1nm横向分辨率0.2um光学探针式非接触测量、对物体表面无损伤、使片方便、快速、简单、信息量大、测量时间较长、需要高精度调焦系统、仪器价格贵纵向分辨率1nm横向分辨率O.1pm扫描探针式测量精度最高、纵向和横向测量范围都狭窄、对操作环境要求商、涉及的技术难题多、操作复杂·仪器价格也非常昂贵纵向分辨率0.1nm横向分辨率0.1nm扫描电子显微镜利用聚焦的非常细的电子束作为电子探针进行测量。适合定性测量、真

4、空环境操作、操作复杂,测量费时纵向分辨率10nm横向分辨率2nm位相干涉法外差干涉锁相干涉频域分析相移干涉需要在两干涉光间引入频差、只能在空间位置上作逐点测量、精度较高、系统复杂应用较少具有较高信噪比、测量速度慢、数据量干涉大、数据分析繁杂、在面形测量应用较少对外界振动和空气紊流不敏感、空间载波难确定、难避免频率混叠带来误差差、能测动态相位、适用与干涉条纹瞬变的情况结构简单、调制方便、全场测量、高测量速度和精度、应用越来越广泛相移干涉技术、术是一种定量的波前测量技术,相移干涉术被广泛地应用在光学测试和测量的各个领域,如:斑点条纹干涉、数字全息术以及三维轮廓术等。相移技术与干涉显微镜相结合

5、测量物体微观表面轮廓,是八十年代以来发展的技术。美国亚历桑那大学的博士研究生对干涉显微镜进行了改装,将显微镜中的参板固定在一块筒状压电陶瓷上,通过计算机控制压电陶瓷驱动参考板沿光轴方向匀速移动,使参考光与测量光之间的相位差随时间作线性变化,利用CCD面阵探测干涉场上各点的光强,从N帧光强算式中提取每一点的相位值,由相位与被测表面各点高度转换关系式,可获得被测表面轮廓的高度分布。这一系统虽然是性能较为优越的表面测量仪器。随后,相移干涉术得到了长足的发展,但它的发展主要是指一些相位提取算法、相位解包裹算法等方面的发展。关于相移干涉法相位扫描技术测量表面三维形貌示意图测量过程测量过程使用干涉显

6、微镜获取被测表面的干涉条纹通过压电晶体驱动参考镜振动获取多幅干涉条纹图像通过这系列的干涉条纹解调出来被测表面的高度信息经过图像滤波等处理技术使轮廓达到一个满意的效果根据数学模型建立基准面提取粗糙度信息,最后对表面各种参数进行评定表面轮廓的相位计算相位提取算法:理论上,只需要三次相移测量就可以计算得到被测面每一点的相位信息,任何一种相位提取算法都会给出真实的相位值,并且所有算法都会得出相同的结果。但是在实际应用中,由于各种误差以及噪声干扰的影响,不同的相位提取算法对误差因素的敏感程度不同,比如适当的增加采样的次数会减小相移误差对计算结果的影响。相移次数N的选择也是根据算法对噪声的敏感程度的

7、选取的,一般来说采样次数N越大,位相测量误差越小。N帧算法又称满周期等间距算法或同步探测法。这种算法在一个周期内进行等间距采样,设采样次数为,每次的相移量为δ=i2π/N,则引入的干涉光场可表示为:根据三角函数的正交性求解,所得的相位表达式为:表面轮廓相位计算相位去包裹算法由上式计算出的相位分布妒Ф(x,y),是被截断在反正切函数的主值范围内的,其值域定义在-π/2与π/2之间。可将主值范围扩展到-π到π。相位分布在-π到π断点处的

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