基于數(shù)字全息和壓縮感知技術(shù)融合的圓柱度誤差測量方法研究.pdf

1、圓柱度是表征軸類零件制造性能的一項(xiàng)基本幾何量參數(shù)，圓柱度誤差檢測技術(shù)是支撐高端裝備制造技術(shù)的一項(xiàng)基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)。近年來，隨著高端裝備制造技術(shù)的高速發(fā)展，對軸類零件形狀誤差的測量精度提出了新的要求。同時，光電檢測、機(jī)器視覺和信號處理等最新技術(shù)，為軸類零件形狀誤差的高精度測量提供了新的方法和手段。在圓柱度誤差測量過程中，滿足GPS隱含的采樣面密度和采樣頻率的要求會使得測量數(shù)據(jù)量激增，難以實(shí)現(xiàn)圓柱度誤差測量的高效性需求。因此，要求軸類零件的圓柱

2、度誤差測量技術(shù)及評價方法既要測量精度高又要保證測量的高效性。
　　本論文綜合分析了圓柱度誤差測量技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對激光干涉圓柱面測量技術(shù)難點(diǎn)，提出了數(shù)字全息和壓縮感知技術(shù)融合的圓柱度誤差測量方法。數(shù)字全息記錄獲取被測圓柱面的三維形貌信息，采用壓縮感知壓縮提取被測圓柱面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)字圖像濾波、數(shù)字全息再現(xiàn)、坐標(biāo)變換和圓柱度誤差評定過程實(shí)現(xiàn)被測圓柱的圓柱度誤差測量，實(shí)現(xiàn)了亞微米級測量精度，且具有米溯源性。論文詳細(xì)研究了數(shù)字全

3、息和壓縮感知融合的圓柱度誤差測量方法的相關(guān)技術(shù)，主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.詳細(xì)分析了數(shù)字全息測量原理、圓柱度誤差評價方法、壓縮感知數(shù)據(jù)稀疏表示方法;以數(shù)字全息干涉光路為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了圓柱度誤差測量系統(tǒng)方案，提出了基于數(shù)字全息和壓縮感知技術(shù)相融合的圓柱度誤差測量方法，完成了圓柱度誤差測量系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　2.從物參角、記錄距離等方面對數(shù)字全息記錄限制條件進(jìn)行了詳細(xì)理論分析與研究，分析了零級像和共軛像的產(chǎn)

4、生機(jī)理。針對零級像和正、負(fù)一級像在頻域中不同頻譜特征，提出了高斯高通濾波和理想低通濾波相結(jié)合的方法，有效濾除零級像干擾，顯著提高了全息再現(xiàn)像的圖像質(zhì)量。
　　3.介紹了基于四次快速傅里葉變換解包裹算法和最小二乘解包裹算法，采用相位數(shù)據(jù)擬合自動補(bǔ)償方法去除解包裹后連續(xù)相位中存在的誤差點(diǎn)，提高全息相位測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于最小二乘解包裹算法獲得的一次、二次相位擬合結(jié)果優(yōu)于基于四次快速傅里葉變換解包裹算法獲得的一次、二次相位擬合結(jié)

5、果。實(shí)驗(yàn)表明:最小二乘解包裹算法可用于后續(xù)的圓柱度誤差測量。
　　4.基于反射式離軸菲涅爾數(shù)字全息，提出了基于壓縮感知技術(shù)的大尺寸數(shù)字全息圖像融合方法，解決了激光光斑尺寸小等因素限制被測物體測量尺寸問題。介紹了基于小波變換圖像融合方法和基于壓縮感知技術(shù)圖像融合方法的基本原理，給出了兩種方法的算法流程，以“恒”字為研究對象進(jìn)行了上、下部分圖像融合和上、下、左、右四部分圖像融合的對比實(shí)驗(yàn)，從像質(zhì)、算法效率和Tamura紋理特征等方面對

6、兩種方法進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于壓縮感知技術(shù)的圖像融合算法優(yōu)于基于小波變換技術(shù)的圖像融合算法。
　　5.詳細(xì)描述了粗糙度誤差測量中評定長度與取樣長度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，鑒于激光光斑尺寸限制，本文采用橫向取樣長度設(shè)定以滿足評定長度要求，總結(jié)給出粗糙度誤差測量流程圖;鑒于激光干涉在凸面測量過程中一次僅能獲取局部測量數(shù)據(jù)的問題，本文提出了基于數(shù)字全息的圓柱度誤差測量方法。采用數(shù)字全息技術(shù)獲取多幅具有重疊區(qū)域的不同測量面對應(yīng)的數(shù)字全

7、息圖，設(shè)計(jì)了相鄰面重疊區(qū)域判定方法標(biāo)定重疊區(qū)域，再對各測量面建立坐標(biāo)系，所有測量面上徑向變換后測量數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)變換到第一個測量面所在坐標(biāo)系，經(jīng)數(shù)據(jù)融合獲得各被測圓柱面統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，采用最小二乘優(yōu)化算法擬合出不同測量面圓心，由擬合圓心擬合出被測圓柱軸線并求出圓柱度誤差。提出了基于參照特征的多尺度Harris角點(diǎn)的圓柱面再現(xiàn)像拼接方法，實(shí)現(xiàn)各相鄰圓柱面全息圖的無縫拼接和被測圓柱的三維重建。
　　6.構(gòu)建了基于數(shù)字全息和壓縮感知技術(shù)融合的圓

8、柱度誤差測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。分別進(jìn)行了粗糙度實(shí)驗(yàn)、圓柱度誤差實(shí)驗(yàn)、全息圖拼接實(shí)驗(yàn)和比對實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了提出方法的可行性和有效性。與粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊比對實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文方法測得粗糙度的測量精度為0.2μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出方法測量精度高。研制的圓柱度誤差測量裝置達(dá)到的主要指標(biāo)為:圓柱度誤差測量精度為0.2μm，儀器示值誤差σ=3.0％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到了一級圓柱度儀的技術(shù)指標(biāo)要求，故此方法不僅測量精度和效率高，并且實(shí)驗(yàn)裝置穩(wěn)定性好